ML20MnTiB冷鐓鋼開裂原因分析

韓麗娟，尹衍成，魏鑫燕

（青島特殊鋼鐵有限公司試驗檢測所，山東 青島266400）

1 前 言

冷鐓鋼被廣泛應用于制造螺栓、螺帽、螺釘等各類緊固件和各種冷鐓成形的零配件。在冷鐓加工過程中，變形量大（60%～70%），所承受的變形速度很高，因此要求冷鐓鋼具有良好的加工性能和力學性能［1］。ML20MnTiB淬火變形和開裂傾向小，可用水淬處理，不僅熱處理操作簡便，工作環境得到改善，而且綜合力學性能好，脫碳敏感性小，成為制作高強度螺栓、螺母的主要材料之一［2］。

某公司生產的螺帽，其材質為ML20MnTiB 合金結構鋼。ML20MnTiB鋼的生產流程為：工藝流程高爐鐵水→氧氣頂吹轉爐→LF爐精煉→180 mm×240 mm 方坯連鑄機（末端攪拌+輕壓下）→噴丸→點修或全扒皮→加熱爐（脫碳層控制）→高速線材軋制→成品檢驗→打包稱重→包裝入庫。螺帽生產工藝為：盤條→球化退火→酸洗→拉拔（25 mm拉到23.6 mm）→矯直→下料→冷鐓→熱滾絲→熱處理→表面處理→成品。用戶在使用某批次的螺帽時，發生開裂現象，取開裂的鍛件，進行相應的理化檢驗，并對其開裂原因進行了分析。

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢驗

用戶在使用過程中，出現端部螺栓帽檐處開裂，如圖1所示。對取到的開裂鐵路道釘樣品進行低倍試驗，酸洗裂紋形貌如圖2所示，為通條線縫。

圖1 樣品開裂形貌

圖2 酸洗裂紋形貌

2.2 化學成分檢驗

對墩裂母材試樣進行化學成分，結果見表1。從表1可以得出，該樣品ML20MnTiB鋼的化學元素成分在內控范圍內。

表1 ML20MnTiB 鋼化學成分(質量分數) %

2.3 高倍檢驗

在螺帽開裂處取樣，制成金相試樣，經研磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，置于光鏡下觀察。如圖3所示，該裂紋由兩部分組成，靠近樣品表面部分的裂縫較寬，遠離樣品表面部分的裂縫較細長，且端部為圓弧形，金相組織為鐵素體＋少量珠光體。

圖3 裂紋形貌 100×

2.4 SEM和能譜檢驗

對裂紋進行掃描電鏡觀察，發現檢測面存在高溫氧化物，未發現非金屬夾雜物。

3 原因分析

裂紋處未發現大顆粒夾雜物，說明裂紋缺陷非夾雜物所致。因樣品表面缺陷長度方向呈螺旋直線狀，與樣品徑向成一定角度，存在一定扭轉角度，與盤條吐絲扭轉相吻合，且觀察缺陷周圍存在高溫氧化物，說明表面缺陷在用戶球化退火前已經存在［3］，因此可以推斷鐓裂半成品缺陷系母材帶來。

從圖3中可以看出，金相組織為鐵素體＋少量珠光體，晶粒大小合適，裂紋端部圓弧形，與樣品表面垂直，且只檢測到氧化物，因此可以推斷此裂紋為應力裂紋［4］。從圖1 中可以看出，螺栓帽檐出直徑最大，冷鐓加工過程中帽檐處金屬的塑性應變最大，所承受的拉應力最大，最容易產生開裂缺陷。此時，如果材料表面存在某些缺陷，則會在缺陷處形成應力集中，使材料表面缺陷成為破壞源,引起工件開裂。

因此，判定首先產生了原始缺陷，在以后的冷卻過程中由于某種原因冷速過快，以此為裂紋源產生應力裂紋。

4 改進措施

為保證產品質量，較少表面缺陷，采取了以下措施：1）生產規格排序優先執行由大規格到小規格生產，優先生產較硬鋼種對新換吐絲管進行軌跡預磨。2）生產時,每4 h停車檢查軋輥表面，出現嚴重麻面立即進行更換。3）優化熱滾絲熱處理，降低工件應力。4）對冷鐓鋼盤條逐支取樣，做好標記送實驗室低倍酸洗，標簽上的批號、卷號要與實物相對應，發現有黑線要送檢金相針對性檢驗及時找出原因，防止不合格品出廠。

5 結 語

ML20MnTiB 墩裂為組織應力所致，由于材料表面存在表面缺陷，后續冷速過快或熱處理過程引起內部應力裂紋擴展，造成使用過程中鐓裂。判斷盤條的表面缺陷是煉鋼連鑄還是軋鋼所致，觀察裂紋周邊有無氧化特征不是唯一的判定標準，還要分析裂紋的形貌和走向。通過對過程中工藝參數進行優化，工件的合格率達到≥99.3%，滿足了生產要求。