20CrMnTi圓鋼加工開裂原因分析及改進措施

供稿|王雷國，王建忠，姚建輝，杜敬洲 / WANG Lei-guo, WANG Jian-zhong, YAO Jian-hui, DU Jing-zhou

滲碳鋼20CrMnTi淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，正火后可切削性良好，抗疲勞性能相當好，被廣泛用于制造承受高速、中等或重載荷、沖擊及摩擦的重要零件，如齒輪、齒圈、齒輪軸十字頭等。邯鋼一煉鋼廠有一臺200 mm×200 mm斷面方坯連鑄機，具有中間包連續(xù)測溫、結(jié)晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌等功能。大型軋鋼廠棒材生產(chǎn)線全線軋機能夠?qū)崿F(xiàn)全線無扭控制軋制，軋線上設有測徑儀，可保證產(chǎn)品尺寸精度。邯鋼大型軋鋼廠棒材生產(chǎn)線于2011年3月投產(chǎn)，年設計生產(chǎn)能力為80萬t，產(chǎn)品規(guī)格為φ12～90 mm圓鋼，其中20CrMnTi占全部產(chǎn)量的5%。但是該品種自生產(chǎn)以來，斷續(xù)在使用過程中發(fā)生了幾起較為典型的加工開裂問題，經(jīng)過系列分析，找出了導致加工開裂的原因，并制定了改進措施，使加工開裂問題得到控制。

原因分析

根據(jù)加工開裂質(zhì)量異議處理情況，認為導致20CrMnTi加工開裂原因主要分為煉鋼原因、軋鋼原因和用戶加工原因。其中，20CrMnTi的化學成分要求見表1。

煉鋼原因

某用戶反饋的棒材20CrMnTi在鍛造、輾環(huán)過程發(fā)生縱向裂紋(見圖1)，用戶加工工藝為：圓鋼—中頻加熱—下料—鍛打—輾環(huán)—機加工—熱處理。從缺陷試樣上切取金相試樣進行裂紋缺陷分析(見圖2)，裂紋深度為2.61 mm，裂紋頭部寬度0.57 mm，裂紋周圍可見大量氧化物質(zhì)點，裂紋周圍組織存在嚴重脫碳，判定該裂紋缺陷為鑄坯裂紋。

表1 20CrMnTi化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

圖1 棒材加工裂紋宏觀形貌

另外，某用戶反映拋丸后的齒輪坯車削1.5 mm后有肉眼可見表面裂紋，用戶加工工藝為：下料—鍛造—正火—拋丸—精車—制齒—熱處理。對缺陷試樣在缺陷位置切取金相試樣，在顯微鏡下進行金相檢驗，裂紋深度0.01 mm，裂紋內(nèi)存在夾雜物，能譜分析夾雜物中存在Al、Ca、Na、Zr等元素，鑒于裂紋內(nèi)存在大夾雜物，判定該裂紋為夾雜物引起，與連鑄耐材及大包水口侵蝕有關(guān)。

軋鋼原因

某用戶使用20CrMnTi用于加工摩托車齒輪，經(jīng)冷鐓后，表面存在裂紋，裂紋位置不確定，車削加工后裂紋消失?，F(xiàn)場查看，冷鐓后試樣裂紋主要表現(xiàn)為試樣A和試樣B兩種形式，見圖3。

根據(jù)部分用戶反饋的頂鍛開裂情況，取樣進行分析。對缺陷試樣A進行金相顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋深度為0.7 mm，缺陷處沒有發(fā)現(xiàn)高溫氧化物質(zhì)點，無脫碳，見圖4。結(jié)合缺陷內(nèi)部光滑沒有分叉現(xiàn)象，而且與表面呈現(xiàn)一定角度，底部圓滑，判斷該缺陷為軋制時劃傷所致。

缺陷試樣B進行金相顯微鏡分析，裂紋垂直深度為0.5 mm，裂紋開口與表面呈一定的角度，且沿圖中線頭指示方向向內(nèi)有延伸；在模鍛過程中有一部分沒有被撐開，見圖5。將裂紋根部放大到500倍、1000倍后觀察(見圖6)，根部有氧化鐵皮，無脫碳，判斷原因為軋鋼折疊缺陷。

圖2 裂紋金相組織照片：(a) 拋光態(tài)；(b) 腐蝕態(tài)

圖3 棒材加工裂紋宏觀形貌：(a) 試樣A形貌；(b) 試樣B形貌

圖4 試樣A裂紋位置金相照片：(a) 拋光態(tài)；(b) 腐蝕態(tài)

圖5 試樣B裂紋位置金相照片：(a) 拋光態(tài)；(b) 腐蝕態(tài)

圖6 高倍檢測照片

用戶加工原因

某用戶工序訂購20CrMnTi圓鋼制作公交車用齒輪和齒輪軸，其制造工序為：鋸切下料—加熱—鍛打—熱處理—粗車—精車—成品，在制成成品后用戶反映齒輪表面存在裂紋缺陷，缺陷試樣見圖7。

從用戶處帶回20CrMnTi缺陷試樣上切取金相試樣進行裂紋缺陷分析，缺陷處存在晶界融化、晶粒粗大現(xiàn)象，判定該缺陷為用戶加熱工藝不當，工件產(chǎn)生過燒，與圓鋼材料質(zhì)量無關(guān)，裂紋形貌及組織見圖8。

改進措施

煉鋼方面

圖7 齒輪裂紋宏觀形貌

加工開裂的主要原因是連鑄過程水質(zhì)臟，導致噴嘴堵塞，冷卻不均勻，霧化效果差及夾雜物影響，采取的主要改進措施：

1) 冶煉前，要求入爐鐵水w(P)≤0.120%，鐵水P質(zhì)量分數(shù)大于0.140%不得組織冶煉20CrMnTi。

圖8 裂紋位置金相照片：(a) 拋光態(tài)；(b) 腐蝕態(tài)

2) 加強生產(chǎn)過程對噴嘴霧化、托輥轉(zhuǎn)動狀況及停機時銅管內(nèi)壁、足輥轉(zhuǎn)動狀況的檢查，嚴格落實開機前各項設備的檢查確認工作，確保生產(chǎn)過程工藝和設備的穩(wěn)定。對關(guān)鍵工藝件銅管、噴淋架，噴嘴進行規(guī)范和標準化，嚴格執(zhí)行驗收、安裝、維修及報廢標準。澆次間對二冷殘鋼及時處理，控制好中包連澆時間。

3) 以良好的工況、穩(wěn)定的設備運行，為質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障，減少機械應力造成的裂紋影響。對結(jié)晶器冷卻水的進出水溫度表和流量表進行了校正，保證了測量準確性。保證結(jié)晶器水縫寬度相同，偏差值控制在0～0.2 mm。外弧輥縫調(diào)整標準為0～0.2 mm，內(nèi)弧輥、側(cè)弧輥輥縫調(diào)整標準為0.4～0.5 mm，噴淋架位置，偏差控制在±3 mm之內(nèi)。將結(jié)晶器進出水溫差均控制在5.5～7℃范圍內(nèi)，結(jié)晶器水流量控制在135±2 m3/h范圍內(nèi)。

4) 對拉速進行優(yōu)化和固化，增加結(jié)晶器內(nèi)坯殼厚度，減少回溫熱應力引起的皮下裂紋。形成一套最優(yōu)的連鑄工藝控制參數(shù)。對噴嘴進行重新計算和選型，同時對比水量進行調(diào)整試驗。對保護渣進行優(yōu)化，減少鑄坯表面渣溝等缺陷。

5) 連鑄工序澆鑄過程中包液面不裸露鋼水，拉鋼時，氬氣閥門開啟，水口在沖擊板上方并掛正，做好水口狀態(tài)檢查。中包夾雜鋁：Als/Alt≥0.90，大包到中包Als≤50×10-6。結(jié)晶器液面波動≤±5 mm，超標后對應鑄坯甩廢，單流波動大于30 min停止?jié)沧⒃摿?，拉速每次最大調(diào)整0.2 m/min，5 min內(nèi)不允許第2次連續(xù)調(diào)整。

軋鋼方面

1) 劃傷缺陷主要從軋機進出口導衛(wèi)磨損、軋制線不對中、滑動導槽軋制線等方面采取措施。

2) 折疊缺陷主要是做好軋輥設計，并保證料形尺寸合適防止部分架次過充滿。加強工裝管控，對部分導衛(wèi)件經(jīng)過長期使用嚴重磨損，滾動導衛(wèi)本體變形嚴重，對軋件的夾持效果較差時，要及時更換，防止在軋制過程中產(chǎn)生輕微倒鋼現(xiàn)象，從而產(chǎn)生軋制折疊。

3) 根據(jù)實際情況對圓鋼頭尾部進行剪切。對出現(xiàn)飛剪尾部剪切不凈時，必須對成品在冷剪處剪切干凈。新增加2#剪剪尾功能，確保尾部缺陷切除干凈。同時在頂鍛、酸洗取樣檢查表面質(zhì)量，避免產(chǎn)生不合格品。

結(jié)束語

通過對用戶反饋的20CrMnTi圓鋼加工開裂問題進行系列分析，發(fā)現(xiàn)導致加工開裂的原因來自煉鋼夾雜物、冷卻不均、軋鋼折疊等方面，及時針對煉鋼、軋鋼生產(chǎn)過程采取控制低磷鐵水、中包連澆時間、水口使用、二冷水、低倍檢驗和軋輥設計等改進措施，減少了20CrMnTi圓鋼加工開裂問題的發(fā)生，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 徐志東，范植金.20CrMnTi齒輪鋼熱鐓開裂原因分析. 鋼鐵研究，2013，8(4)：31

[2] 姜英禹.20CrMnTi熱軋齒輪圓鋼熱頂鍛裂紋分析與改進措施.新疆鋼鐵，2012，3(3)：1