40Cr鋼棒材剪切開裂原因

徐政新, 楊 娥, 周 楊, 曹 廣

(大冶特殊鋼股份有限公司 高品質特殊鋼湖北省重點實驗室, 黃石 435001)

40Cr合金結構鋼是機械制造業應用最廣泛的鋼種之一,經調質處理后其具有良好的低溫沖擊韌性及切削加工性能,主要被用于制造中速、承受中等載荷的零件,如汽車轉向節、后半軸、花鍵軸等[1]。某公司在對40Cr鋼棒材進行剪切下料的過程中,發現部分料段有開裂現象,該批次40Cr鋼棒材的生產加工工藝為：電爐連鑄→連軋成直徑為40 mm圓棒→矯直→表面砂輪扒皮→剪切下料。筆者采用一系列理化檢驗方法對該棒材開裂的原因進行分析,以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂棒材的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：棒材表面為扒皮狀態,砂輪扒皮殘留的痕跡明顯;開裂部位與剪切面有一定距離,裂紋沿料段橫向裂開;將開裂部位進一步打開,在橫截面處可見裂紋起源于棒材表面。

圖1 開裂棒材的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在開裂棒材上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：該開裂棒材的化學成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》的要求。

表1 開裂棒材的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)分析

在棒材斷口處取樣,將試樣進行超聲波清洗后,用掃描電鏡觀察其微觀形貌,結果如圖2所示。由圖2可知：開裂起源于表面,呈河流狀解理斷裂特征,未見夾雜物、陳舊性裂紋等冶金缺陷。

圖2 斷口處SEM形貌

在棒材起裂源表面處取樣,對試樣進行SEM分析,結果如圖3所示。由圖3可知：起裂源表面呈撕裂特征,未見明顯的冶金缺陷。

圖3 起裂源表面SEM形貌

1.4 金相檢驗

沿起裂源部位剖開試樣,在試樣縱截面上取樣,對試樣進行金相檢驗。結果如圖4所示。由圖4可知：裂紋斷口邊緣呈鋸齒狀,未見氧化鐵、非金屬夾雜物等缺陷,說明裂紋產生于剪切過程。

圖4 裂紋源處縱截面的微觀形貌

試樣的顯微組織形貌如圖5所示。由圖5可知：起裂源附近表面有一層異常組織,該層組織有明顯的金屬流變線;內部組織為鐵素體+珠光體,為正常的熱軋狀態組織。

圖5 試樣的顯微組織形貌

2 綜合分析

綜合上述理化檢驗結果可知, 該開裂棒材的化學成分滿足標準要求。棒材表面可見金屬光澤,且有沿棒材圓周方向分布的機械加工痕跡,該類痕跡為棒材熱軋之后,采用砂輪機進行表面扒皮后留下的加工痕跡;裂紋起源于棒材表面[2]。斷口呈解理斷裂特征,未見非金屬夾雜物、陳舊性裂紋等缺陷,說明剪切開裂與鋼中的夾雜物及棒材表面開放性缺陷無關,裂紋產生于剪切過程[3]。起裂源附近表面組織存在明顯異常,有明顯的金屬流線,屬于冷加工過程中形成的加工硬化組織,內部組織為鐵素體+珠光體,為正常的熱軋組織。

表面異常的加工硬化組織為棒材發生剪切開裂的主要原因。結合該棒材的生產工藝流程可知,矯直及砂輪打磨工序均屬于冷加工,異常的加工硬化組織應形成于這兩個工序過程中。

熱軋鋼材加熱后的原料存在一定的內外溫度差、上下表面溫度差,且軋制過程降溫不均勻、壓下控制不合理等均會造成軋件延伸不均勻,從而導致棒材的平直度較差。為了保證棒材的出廠質量,必須對熱軋棒材進行矯直。根據棒材的規格及鋼種可選擇不同的矯直機及矯直方式。實際生產過程中,采用兩輥矯直機對開裂棒材進行冷矯直。在矯直過程中,兩輥矯直機依靠兩輥縫內部彎曲的曲率變化達到將棒材矯直的目的,因此在矯直過程中棒材承受了很大的矯直力,從而導致其表面形成加工硬化層。設置合理的參數可避免矯直后棒材表面形成異常的加工硬化層。

砂輪打磨精扒皮可快速、高效地去除表面的脫碳層、裂紋等缺陷,達到較好的精度和粗糙度,但是不合理的打磨速率會導致鋼材內部晶粒產生位錯滑移過變形,發生過度的冷加工硬化現象,從而造成鋼材的硬度、強度顯著提高,塑性、韌性顯著降低,甚至出現細微裂紋等缺陷[4-6]。

3 結論及建議

該棒材發生了剪切開裂,裂紋起源于表面的解理斷口,未見夾雜等缺陷,起裂源附近表面組織為冷加工過程中形成的加工硬化組織,表明表面異常的加工硬化組織為導致棒材發生剪切開裂的主要原因。

在對棒材進行矯直時,應選用合適的輥縫、角度及打磨速率,避免棒材表面形成加工硬化層。在對棒材進行砂輪打磨精扒皮時,應注意控制砂輪的打磨速率,避免因打磨過快或者過慢而使棒材表面產生過加工硬化現象。