探討30CrNi2WVA鋼調(diào)質(zhì)縱裂及解決辦法

王佳明

(攀鋼集團(tuán)江油長(zhǎng)城特殊鋼有限公司)

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探討30CrNi2WVA鋼調(diào)質(zhì)縱裂及解決辦法

王佳明

(攀鋼集團(tuán)江油長(zhǎng)城特殊鋼有限公司)

對(duì)供某廠的30CrNi2WVA棒材在調(diào)質(zhì)后發(fā)現(xiàn)的裂紋試樣進(jìn)行了化學(xué)成分分析、鋼的內(nèi)部夾雜物及顯微組織檢驗(yàn)，同時(shí)探討了其鋼的調(diào)質(zhì)熱處理制度，找出了裂紋產(chǎn)生的原因主要是棒材的表面缺陷，在調(diào)質(zhì)過(guò)程中缺陷部位在淬火應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中而造成的槍管半成品縱裂。最終通過(guò)提高棒材表面質(zhì)量、加強(qiáng)對(duì)表面質(zhì)量管控杜絕了此類問(wèn)題的產(chǎn)生。

熱處理制度淬火應(yīng)力局部應(yīng)力集中

0　前言

30CrNi2WVA為中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。淬透性好，在淬火高溫回火后具有良好的綜合機(jī)械性能。缺口敏感性小、裂紋發(fā)展速度不太快。適用于制造小截面在高溫回火后使用的零件，也廣泛應(yīng)用于制造輕武器承受高壓高溫的槍身、槍管等部件。近幾年隨著國(guó)際形勢(shì)的不斷變化，區(qū)域?qū)鼓Σ敛粩嗌?jí)，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)輕武器需求逐年增大，國(guó)內(nèi)輕武器用鋼需求也伴隨著逐年增加。

1　存在問(wèn)題

2015年初，供中兵集團(tuán)某廠3個(gè)爐號(hào)Φ26 mm規(guī)格30CrNi2WVA棒材，在用戶調(diào)質(zhì)或調(diào)質(zhì)車光后發(fā)現(xiàn)個(gè)別槍管出現(xiàn)裂紋，如圖1、圖2所示。產(chǎn)品經(jīng)調(diào)制后雖未造成大規(guī)模廢品，但降低了產(chǎn)品的信用評(píng)級(jí)，嚴(yán)重的影響后續(xù)輕武器類用鋼的供貨。

2　問(wèn)題分析

2.1化學(xué)成分

從裂紋處切取編號(hào)為413A12V2-2559試樣進(jìn)行化學(xué)分析，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，各元素成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2夾雜物檢驗(yàn)

從裂紋處切取試樣，并對(duì)所取試樣進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。夾雜物水平完全高于標(biāo)準(zhǔn)要求水平。

圖1　調(diào)質(zhì)后有縱向裂紋槍管

圖2　調(diào)質(zhì)車光后有縱向裂紋槍管

2.3超聲波探傷

該批棒材出廠前嚴(yán)格按GB4162-2008鍛軋鋼棒超聲檢測(cè)方法中 A級(jí)全體積進(jìn)行探傷檢驗(yàn),探傷結(jié)果表明滿足國(guó)標(biāo)要求。

2.4高倍分析

在裂紋處切取試樣進(jìn)行顯微組織分析，裂紋兩側(cè)明顯無(wú)脫碳跡象，如圖3所示。裂紋處組織為回火索氏體如圖4所示。

表1　化學(xué)成分 　 / %

表2　夾雜物

(a) 裂紋中部

(b) 裂紋端部

(a) 非裂紋處

(b) 裂紋處

2.5熱處理工藝探討分析

2.5.1熱處理工藝流程

鋸切下料—調(diào)質(zhì)—深穿孔—機(jī)加工。

2.5.2熱處理制度

預(yù)熱(660 ℃～700 ℃)保溫20 min —淬火：(890±10) ℃ 保溫20 min—冷卻：流動(dòng)自來(lái)水，水溫<50 ℃，冷卻時(shí)間不少于100 s—回火溫度680 ℃保溫40 min,空冷。

2.5.3熱處理工藝討論

30CrNi2WVA 的AC1約720 ℃、AC3約為830 ℃、MS點(diǎn)約為320 ℃ ，有關(guān)資料顯示該鋼常用奧氏體化溫度在850 ℃～910 ℃之間。從鋼的特性進(jìn)行分析，鋼中含有Cr、V、W能阻礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散，提高鋼的淬透性；Cr、V、W是強(qiáng)碳化物形成元素與鋼中的鐵、碳和合金元素相互作用的結(jié)果，可能生成(Fe、Cr)3C、(Fe、W)23C6、(Cr、Fe)6C、(W、Cr、Fe)23C6、WC、V4C3等多種復(fù)合金碳化物和合金碳化物。合金碳化物在奧氏體化過(guò)程中不易溶解，當(dāng)其呈小顆粒均勻分布時(shí)，能夠阻礙奧氏體晶界的移動(dòng)，防止晶粒長(zhǎng)大，這種作用以V4C3最為顯著。Cr、V、W碳化物形成元素淬火時(shí)獲得充分固溶后，在回火過(guò)程中將起到阻礙碳化物聚集長(zhǎng)大的作用，從而提高鋼的回火穩(wěn)定性。V、W等元素只有當(dāng)回火溫度高于500 ℃時(shí)，才能顯著地從固溶體中析出，并常以彌散分布的合金碳化物的形式出現(xiàn)。V、W的碳化物硬度均很高，其彌散析出的結(jié)果，將使鋼的硬度回升而產(chǎn)生“二次硬化”效應(yīng)，同時(shí)也增大了鋼的耐磨性。W能提高鐵素體的再結(jié)晶溫度，增加鋼的蠕變抗力。彌散分布的合金碳化物在高溫下不易聚集，也有利于高溫持久強(qiáng)度，這些因素使鋼在高溫下的性能得到了充分保證。為使得棒材具有良好的綜合性能，回火制度要采用660 ℃至710 ℃高溫回火。通過(guò)高溫回火可使得淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，從而使得棒材具有較高的強(qiáng)度和較高的韌性。用戶采用890 ℃淬火+680 ℃回火的熱處理制度是符合該鋼特性的。

2.5.4內(nèi)應(yīng)力分析

棒材在淬火過(guò)程中工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，主要是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。材料按其熱膨脹規(guī)律，在冷卻時(shí)發(fā)生收縮。相鄰兩部位降溫速度不同，導(dǎo)致冷卻過(guò)程的任-時(shí)刻比容的差異，相互產(chǎn)生應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。馬氏體的比容大于奧氏體，在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，隨馬氏體量增多，工件發(fā)生膨脹。相鄰部位冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)MS的時(shí)間不同，或者在MS以下冷卻速度不同，由于鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的變溫轉(zhuǎn)變特性(見(jiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變)也將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，稱為組織應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)鋼的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)淬火裂紋，淬火裂紋的主要特點(diǎn)是：裂紋出現(xiàn)在淬火之后回火之前，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳、無(wú)明顯氧化現(xiàn)象。從圖3可以看出，試樣裂紋兩側(cè)無(wú)明顯氧化跡象，滿足裂紋特點(diǎn)符合淬火裂紋特點(diǎn)，但結(jié)合整個(gè)熱處理工藝分析及長(zhǎng)風(fēng)廠槍管調(diào)質(zhì)合格率統(tǒng)計(jì)來(lái)分析，在同一熱處理制度下，調(diào)質(zhì)生產(chǎn)幾千只槍管只炸裂10余支槍管，而西鋼供30CrNi2WVA棒材未出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，產(chǎn)品廢品率低于0.03%，證明該裂紋不是淬火裂紋。

2.6槍管裂紋形貌分析

槍管裂紋形貌如圖5、圖6、圖7所示。

圖5　槍管裂紋形貌圖

圖6　槍管裂紋形貌圖

圖7　槍管形裂紋貌

從圖5可以看出，槍管裂紋形貌特點(diǎn)筆直、有力，從一端至另一端裂紋寬度逐漸變窄；通過(guò)圖6、圖7進(jìn)行試樣兩端裂紋深度對(duì)比可以看出裂紋深度也逐漸減輕，裂紋深度均未超過(guò)心部。通過(guò)以上裂紋形貌特點(diǎn)可以推斷出，該試樣上的裂紋為擴(kuò)展裂紋。當(dāng)帶有表面缺陷的棒材在淬火時(shí)，淬火產(chǎn)生的熱應(yīng)力及組織應(yīng)力集中到缺陷處，造成局部應(yīng)力集中當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)便會(huì)使得棒料開(kāi)裂，該處就為棒料的裂紋源，在開(kāi)裂擴(kuò)展過(guò)程中伴隨著應(yīng)力不斷減小裂紋擴(kuò)展的寬度及深度也隨之減小直至消失，裂紋擴(kuò)展部分的兩側(cè)沒(méi)有氧化跡象，該試樣就為裂紋的擴(kuò)展部分非裂紋源。

3　采取措施

30CrNi2WVA棒材用825軋機(jī)開(kāi)坯+連軋軋制成材加工工藝生產(chǎn)，棒材表面缺陷通常是由中間坯清理不干凈，表面有微裂紋和凹坑等缺陷存在，軋坯在后期軋制過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展和凹坑覆蓋造成了棒材出現(xiàn)表面裂紋的情況。由于棒材規(guī)格小支數(shù)多等原因，在成品棒材表檢過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。為從根源解決這一問(wèn)題，后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中采取了對(duì)中間坯加強(qiáng)控制，同時(shí)加大對(duì)中間坯頭、尾切除量、中間坯表面進(jìn)行修磨處理等以避免軋制成型過(guò)程中造成不必要的表面缺陷，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)成品棒材表面檢查及處理。

4　取得效果

通過(guò)加強(qiáng)對(duì)棒材表面質(zhì)量嚴(yán)格管控后，在后續(xù)供該廠3批次共計(jì)80余噸棒材。經(jīng)用戶調(diào)質(zhì)處理后再未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，其槍管毛坯調(diào)質(zhì)熱處理合格率達(dá)到100%，完全超過(guò)該廠調(diào)質(zhì)棒材合格率99.7%內(nèi)控要求。

5　結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)化學(xué)成分、金相組織及熱處理等分析表明，供中兵集團(tuán)某廠30CrNi2WVA棒材內(nèi)部質(zhì)量完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)導(dǎo)致30CrNi2WVA棒材調(diào)質(zhì)后出現(xiàn)裂紋的原因是棒材表面缺陷未清除干凈，在淬火時(shí)造成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋并且擴(kuò)展。

3)通過(guò)加強(qiáng)棒材表面檢查和中間坯管控的方法可確保出廠棒材表面質(zhì)量，從而避免了棒材因表面問(wèn)題引起的調(diào)質(zhì)縱裂現(xiàn)象。

[1]崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：98-120.

[2]陳金榮. 30CrNi2WVA鋼調(diào)質(zhì)工藝的改進(jìn)[J].機(jī)械工人，2005(1)：62-64.

DISCUSSION ON THE 30CRNi2WVA WITH CRACKS AFTER QUENCH AND SOLUTIONS

Wang Jiaming

(Jiangyou Changcheng Special Steel Co., Ltd. )

In this article, the 30CrNi2WVA with cracks after quenching, which is for a factory, is analyzed by chemistry analysis, inclusion examination and microstructure investigation. It is found that the surface cracks of bar were caused by stress raisers which were formed in the defect area under the quenching stress. Therefore, this problem can be resolved through strengthening of surface inspection after studied the heat treatment.

heat treatmentquenching stressstress raisers

2016—3—19

聯(lián)系人：王佳明，助理工程師，四川. 江油(621700)，攀鋼集團(tuán)江油長(zhǎng)城特殊鋼有限公司技術(shù)中心；