汽車鋼20CrNi3H主軸件缺陷分析與改進

任 飛，邢國成

(撫順特殊鋼股份有限公司 第一煉鋼廠，遼寧 撫順 113001)

20CrNi3H鋼主要用于商用車變速箱主軸，對夾雜物、淬透性、晶粒度、內部組織致密性有較高的要求[1-2]。某公司通過工藝攻關，成功開發該品種，目前夾雜物、淬透性等質量已滿足用戶的使用要求，但用戶在生產過程中產生一些質量缺陷，主要為主軸零件存在的中心孔洞缺陷導致的探傷不合格。用戶采用楔橫軋工藝生產，其孔洞問題影響因素較多，包括軋機模具設計、模具磨損、材料質量、加熱工藝等多因素影響。此前對產生孔洞缺陷件分析時，未發現明顯的材料缺陷，雙方對缺陷產生原因未達成一致。隨著生產量的擴大，部分爐號探傷不合格率較高，達到 20%以上。通過比較分析，需要提高棒材原料的質量。

1 生產工藝流程及設備參數

20CrNi3H鋼的化學成分見表1。

某鋼廠提供的棒材原料生產工藝流程：60 t UHP→60 t LF→60 t VD→四機四流連鑄機→鑄坯紅送/緩冷→連軋機組→退火→精整→相控陣探傷→檢驗→入庫。

表1 20CrNi3H鋼的化學成分 %

工藝裝備參數見表2。

表2 冶煉-連鑄-軋制設備參數

主軸零件生產工藝流程：原料驗收探傷→加熱→楔橫軋軋制→探傷。

采用楔橫軋方式生產的齒輪軸，由于其特殊的加工方式，鋼材內部受三向拉應力作用，零件極易產生內部疏松、孔洞缺陷。因此，對原材料的中心質量比普通軋制要求嚴格。為確保提供的棒材原料質量，對每支成品棒材進行相控陣超聲波探傷，探傷合格后出廠交付使用。

2 質量問題與缺陷描述

合格棒材原料經楔橫軋軋機軋制成零件后，再進行探傷，發生了探傷不合，對探傷不合的零件進行解剖分析。

2.1 低倍檢驗

通過解剖，發現缺陷類型有兩種，一種為在中心撕裂開后成開放型的孔洞，能夠看到中心區域有明顯的撕裂，見圖1(a)；另一種為收斂型，有一個小孔，見圖1(b)。

圖1 主軸零件孔洞缺陷

對于第二種缺陷試樣，加工試樣橫截面，并經1∶1的鹽酸水溶液加熱浸蝕，低倍組織缺陷見圖1(b)。

在試樣的中心可見有小孔，缺陷為孔洞。在缺陷的周圍可見有發達的柱狀晶，中心等軸晶比例較小而且是偏心的。

2.2 高倍檢驗

對缺陷進行金相分析，見圖2、圖3。

圖2 中心孔洞 (×200)

在孔洞缺陷附近并沒有非金屬夾雜物缺陷，高倍下形貌系多孔的、撕裂狀。

由于棒材經過了楔橫軋的二次加工，對孔洞缺陷產生的根源易產生分歧。

圖3 中心孔洞SEM

3 缺陷研究與機理分析

撕裂首先發生在夾雜物等薄弱環節，通過上述檢驗，可以得出，探傷不合不是由鋼種潔凈度引起的。可以推測缺陷由以下三種情況產生：

(1)楔橫軋軋制工藝問題；

(2)棒材原料本身存在缺陷；

(3)楔橫軋軋制方式對原材料的使用要求更高。

針對上述可能的原因，雙方都進行了排查，并進行了對比軋制，排除了第一項因素。生產前通過二次驗收探傷，再軋制，探傷合格的原料經軋制后也出現了探傷不合。因此，可以確認第三種因素是主要原因。

解決問題方向——研究鋼材中心質量如何能夠滿足楔橫軋方式的生產要求。

3.1 對缺陷分析研究

通過對主軸零件低倍觀察，發現存在質量問題的零件，中心質量存在以下特點：

(1)中心等軸晶區域小；

(2)中心等軸晶不在中心區域；

(3)柱狀晶生長異常，有穿晶現象。

通過上述低倍信息可以得出連鑄坯在凝固組織方面可以進行改進。

等軸晶的優點是結構致密，各個等軸晶彼此相互嵌入結合牢固；熱加工性能好；鋼材力學性能呈各向異性[3-4]。

柱狀晶發達時，對熱加工和產品質量會帶來不利影響，要提高產品質量，首先要控制鑄坯低倍組織，在凝固過程中要抑制柱狀晶生長，擴大鑄坯中心等軸晶區[5]。

結合高低倍檢驗，可以初步判斷，該批材料的低倍組織不能滿足加工要求，引發材料失效。

3.2 凝固缺陷產生機理分析

鋼水注入結晶器，由于結晶器內具有高的溫度梯度G和快的凝固速度R，形成致密的激冷層，在激冷層形成后，柱狀晶就開始生長。在擇優生長和水平方向傳熱最快的作用下，主軸垂直于鑄坯表面的晶體以最大凝固速度生長，形成了單方向的柱狀晶。

鋼水過熱度和連鑄二冷強度決定了鑄坯中柱狀晶的發達程度，冷卻速度過大，柱狀晶異常發展，就可形成穿晶組織。在液相穴固液界面，由于液體運動把枝晶熔斷，它在液相穴中會下沉作為等軸晶形核核心長大，過熱度逐漸消除，由漸近結晶過渡到體積結晶，生長的柱狀晶與沉積在液相穴底部的等軸晶連接，柱狀晶停止生長而形成中心等軸晶區。

由于重力和對流的影響，鑄坯內弧側的柱狀晶在凝固過程中會熔斷，打擾外弧側的柱狀晶的生長，并為外弧側的鋼液提供形核核心，所以外弧側的中心等軸晶區較寬[6]。

4 對缺陷改善的試驗研究

4.1 對原工藝的鑄坯取樣分析

根據上述分析，采用對比工藝進行標定。

在連澆中，任選一爐，采用原工藝和新工藝參數進行對比標定：在采用原工藝的第三流上，任選連續兩根鑄坯，取低倍進行檢驗。在同一澆次的同一爐上、流場和溫度場相同的第二流上，采用新工藝參數，與采用原工藝參數的同節號鑄坯上，也連續取兩個低倍試片進行檢驗，這樣就可以與原工藝參數的鑄坯進行比對標定。

首次調整時，在拉速匹配制度不變的條件下，新二冷參數的比水量對原二冷參數的比水量降低20%，并調整了各區的分配，將一區(足輥)水量分配比降低4%。

完成首次試驗后，對標記的鑄坯取低倍試片，進行熱酸浸蝕。結合國標低倍評級圖譜，對四塊鑄坯低倍質量進行評級和測量，見圖4、圖5，得出數據見表3。

圖4 連鑄坯低倍缺陷(優化前)

通過對比試驗得出如下試驗結論：

(1)在相同過熱度下，采用弱水冷卻制度后，中心等軸晶比例提高了5%～6%，中心裂紋的級別得到大幅降低。

圖5 連鑄坯低倍缺陷(優化后)

表3 首次試驗鑄坯檢測數據

(2)在相同二次冷卻制度下，降低過熱度，中心等軸晶比例提高了3%～5%，中心裂紋級別得到一定的減輕。

(3)原二次冷卻參數下的鑄坯，中心等軸晶嚴重下沉，內弧側的柱狀晶已生長到鑄坯的幾何中心；而采用新工藝參數后，柱狀晶的生長得到抑制，中心等軸晶得到發展，避免了中心等軸晶偏心的問題。

4.2 連鑄參數的二次優化及固化

為進一步提高鑄坯低倍質量，徹底消除中心裂紋，再次調整工藝參數——明確過熱度控制目標20～40 ℃，在考慮設備長期安全運行的條件下，二次冷卻水的比水量再次下調10%，取橫縱試片進行對比。

在不同爐號分別取橫縱低倍試片，機加工后進行熱酸浸蝕檢驗，見圖6。

根據高鎳鋼鋼種凝固特性，通過再次優化二次冷卻水參數、規范中間包過熱度控制，鑄坯的中心等軸晶比例得到進一步提升，穩定在25%左右，中心質量良好，而且平均分布于鑄坯的幾何中心，沒有出現以往的穿晶組織、中心裂紋、中心縮孔等缺陷。

5 效果驗證

改進工藝后的鑄坯，送連軋軋制成材后，提高探傷級別后未發現異常，隨機抽檢成材棒材進行熱酸浸蝕檢驗，見圖7。

圖6 試驗爐號10734、爐號20677低倍檢驗

圖7 10733爐號成品材低倍檢驗

從成品棒材低倍來看，中心等軸晶區域明顯，且均勻分布于圓棒材的中心區域，沒有穿晶組織、中心裂紋、中心縮孔等缺陷。

在改善前，成品棒材的低倍質量是不穩定的，有的低倍質量與圖8的缺陷相似：中心存在穿晶組織，等軸晶區不在幾何中心。

6 結 論

(1)連鑄坯的凝固組織對成品材有嚴格的遺傳性，良好的凝固組織可提高加工性能。采用楔橫軋軋機生產，對原材料的中心質量要求更高，應引起重視。

圖8 20601爐號成品材低倍檢驗

(2)汽車主軸用20CrNi3H鋼零件中心孔洞缺陷系鑄坯凝固組織不均勻、柱狀晶異常發達，形成穿晶組織造成加工性能差。

(3)通過調整連鑄二次冷卻參數，中心等軸晶比例由原來的11%～14%提高到25%，而且均勻分布在幾何中心，鑄坯的中心裂紋得到消除，提高了其加工性能。

(4)通過以上的工藝調整和工藝規范，孔洞類探傷不合情況未再發生。