車軸熱軋裂紋分析

秦會(huì)常，賈波，王寶起，胥興玲，楊志傳，丁群，焦大勇

(1.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201;2.北方材料科學(xué)與工程研究院，濟(jì)南 250031)

車軸用原材料的供應(yīng)狀態(tài)為熱軋狀態(tài)，材料為20Mn2低合金結(jié)構(gòu)鋼，車軸采用工頻加熱、熱軋制造，兩道軋制，軋制后空冷。此前原材料一直采用寶鋼公司生產(chǎn)的20Mn2低合金結(jié)構(gòu)鋼，工藝穩(wěn)定，軋制后未發(fā)現(xiàn)裂紋。自采用河南某鋼廠材料后，在熱軋后的車軸上發(fā)現(xiàn)大量平行軸向裂紋。文中對(duì)某鋼廠鋼材軋制車軸的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相顯微組織等進(jìn)行了檢測(cè)，并與用寶鋼鋼材軋制車軸進(jìn)行了對(duì)比。

1 熱軋后車軸的理化檢測(cè)

1.1 金相組織檢測(cè)與分析

1.1.1 車軸裂紋的宏觀觀察

裂紋沿圓周向分布，且與縱軸有50°～60°的夾角，裂紋間相互平行，相鄰兩條裂紋間距基本一致，約為5 mm，深度在3～5 mm之間。

1.1.2 顯微組織檢測(cè)與分析

從有裂紋的車軸上取樣，研磨拋光后在硝酸酒精溶液(體積分?jǐn)?shù)為4%)中侵蝕，如圖1、圖2、圖3所示。從圖1中可看出:裂紋兩側(cè)為鐵素體組織，兩側(cè)有明顯的脫碳現(xiàn)象，尾端較為圓頓。遠(yuǎn)離裂紋處的基體組織如圖2所示，為粗大的珠光體和鐵素體組織，呈魏氏組織特征，屬過熱組織，同時(shí)基體組織上分布有一長(zhǎng)條灰色硫化物夾雜。心部組織如圖3所示，心部組織為粗大的珠光體和鐵素體組織，同時(shí)有一較寬的帶狀鐵素體組織分布在基體內(nèi)，此帶狀鐵素體一直延伸到工件的外表面，鐵素體上還存在大量呈聚集狀、鏈狀分布的硫化物非金屬夾雜物，并隨這種帶狀組織一直延伸至車軸的表面。

圖1 鋼材熱軋裂紋處組織形貌Fig.1 Microstructure of steel along the crack

圖2 鋼材熱軋裂紋尾部組織形貌Fig.2 Microstructure of steel at the crack tail

圖3 鋼材熱軋組織形貌Fig.3 Hot rolling microstructure of steel

1.2 力學(xué)性能檢測(cè)

從用河南某鋼廠原材料制得含有裂紋的車軸上進(jìn)行取樣(1號(hào))，同時(shí)從用寶鋼公司原材料熱軋制得車軸上取樣(2號(hào))，對(duì)二者調(diào)質(zhì)后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 力學(xué)性能結(jié)果Table1 Testing results of mechanical properties

從表1可看出，用寶鋼公司原材料生產(chǎn)的車軸力學(xué)性能明顯優(yōu)于用河南某鋼廠材料生產(chǎn)的車軸。

2 原材料的理化檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

從剩余同批次來自河南某鋼廠的20Mn2原材料(1號(hào))及原寶鋼公司的原材料(2號(hào))進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。

表2 20Mn2原材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table2 Chemical composition of 20Mn2

從表2中可看出，河南某鋼廠原材料S，P成分的含量明顯高于寶鋼公司原材料，含硫量約為寶鋼的4倍，含磷量約為2倍。

2.2 金相檢測(cè)

對(duì)同批次剩余的河南某鋼廠原材料組織進(jìn)行金相檢測(cè)與分析，并與寶鋼公司原材料進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 原材料的低倍組織檢測(cè)

按低倍組織試驗(yàn)要求取樣、制樣，于70～75℃進(jìn)行酸蝕，河南某鋼廠原材料低倍組織疏松較嚴(yán)重，這種疏松組織使鋼材的抗破斷能力顯著降低;寶鋼原材料的組織均勻，晶粒細(xì)密，疏松不明顯。

2.2.2 非金屬夾雜物檢測(cè)與分析

分別從來自河南某鋼廠的同批次產(chǎn)生裂紋的剩余料中及來自寶鋼公司原材料中取樣，淬火后進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，如圖4所示。按GB 10561—1989中的JK-I標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，圖4a中的AC類非金屬夾雜物為0.5級(jí)，BD類為1.0級(jí);圖4b中的AC類非金屬夾雜物為1.5級(jí)，BD類為4級(jí)。河南某鋼廠鋼材中的非金屬夾雜物含量比寶鋼公司鋼材要多得多。大量非金屬夾雜物的存在，尤其是非金屬夾雜物以聚集狀、串聯(lián)狀、連續(xù)狀分布時(shí)，除了使鋼材在熱軋時(shí)形成帶狀組織外，同時(shí)也會(huì)使金屬基體的連續(xù)性被破壞。尤其是對(duì)夾雜物聚集處的金屬基體部位連續(xù)性的影響更嚴(yán)重，這會(huì)顯著降低鋼材的綜合力學(xué)性能，尤其是屈服強(qiáng)度。當(dāng)用此材料進(jìn)行熱軋加工時(shí)，在非金屬夾雜物呈聚集狀、連續(xù)狀、較粗大的地方會(huì)形成銳角，易導(dǎo)致較強(qiáng)的應(yīng)力集中，形成微裂紋。非金屬夾雜物多是在冶煉時(shí)產(chǎn)生的，所以在冶煉時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，確保材質(zhì)的潔凈度。

圖4 非金屬夾雜物形貌Fig.4 Microstructure of non-metallic inclusion

2.2.3 原材料的顯微組織檢測(cè)與分析

從寶鋼公司和河南某鋼廠的原材料上切取高倍試樣，將研磨、拋光后的樣塊用硝酸酒精溶液(4%)侵蝕，其內(nèi)部組織如圖5所示，寶鋼公司原材料組織為珠光體和鐵素體，帶狀組織不明顯，按 GB 13299—91評(píng)定，帶狀級(jí)別為2級(jí)。河南某鋼廠原材料組織為珠光體和鐵素體，晶粒粗大，組織呈帶狀分布，晶粒已有部分發(fā)生形變，帶狀級(jí)別為3～4級(jí)，為嚴(yán)重的帶狀組織，且?guī)罱M織上分布有帶狀顆粒夾雜物，局部魏氏組織較為嚴(yán)重，如圖5c所示。

圖5 鋼材原材料組織Fig.6 Raw material microstructure of steel

3 分析與討論

從以上的檢測(cè)和分析可看出:裂紋的產(chǎn)生是熱軋時(shí)車軸表面產(chǎn)生了眾多周向折疊導(dǎo)致的。

3.1 原材料缺陷是折疊產(chǎn)生的主要原因

來自河南某鋼廠的20Mn2鋼材中非金屬夾雜物不僅量多，而且呈聚集狀、串聯(lián)狀、帶狀分布，這使得在夾雜物聚集處易產(chǎn)生銳角，并導(dǎo)致較強(qiáng)的應(yīng)力集中，同時(shí)非金屬夾雜物的大量存在使得金屬基體的連續(xù)性被嚴(yán)重割裂，顯著降低了金屬的綜合力學(xué)性能，尤其是塑性和屈服強(qiáng)度將顯著降低，橫向抗拉能力也將顯著降低[1－3]。從表1、表2還可看出，河南某鋼廠20Mn2鋼材中S，P元素含量明顯偏多，超出了工藝要求。由于S在α-Fe中基本不溶，主要是以FeS存在，鋼中S含量高、硫化物夾雜多時(shí)，F(xiàn)eS和Fe形成熔點(diǎn)較低的Fe-FeS共晶體并分布在晶界處，形成連續(xù)的網(wǎng)狀組織，造成聚集處晶界能量、成分、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低了晶界結(jié)合強(qiáng)度。另外，由于Fe-FeS共晶體的熔點(diǎn)較低，在車軸軋制加熱時(shí)，低熔點(diǎn)的共晶體先開始熔化，導(dǎo)致沿晶界開裂，使得車軸綜合力學(xué)性能惡化，尤其是屈服強(qiáng)度明顯降低，材料的抗破斷能力變差。P在α-Fe中僅少量溶解且擴(kuò)散困難，P偏多時(shí)容易造成比較嚴(yán)重的區(qū)域偏析和枝晶偏析，導(dǎo)致組織和力學(xué)性能不均勻，也顯著降低了鋼的塑性、韌性，尤其在低溫時(shí)脆性更為嚴(yán)重。車軸原材料中S，P元素含量偏多，也使得在熱軋后冷卻至相變溫度時(shí)，S，P本身或其形成的大量夾雜物微粒成為了新相的形核核心，進(jìn)一步提高了帶狀組織的級(jí)別。由此可見，河南某鋼廠20Mn2鋼材在熱軋時(shí)極易產(chǎn)生裂紋和波浪形耳子，進(jìn)而產(chǎn)生折疊。這也就是同樣的工藝條件下，用河南某鋼廠的原材料在熱軋后產(chǎn)生了折疊，而用寶鋼公司的原材料沒有產(chǎn)生折疊的主要原因之一。另外，由于河南某鋼廠的20Mn2鋼原材料中的鐵素體和珠光體帶狀組織較嚴(yán)重，達(dá)到3～4級(jí)，使得鋼材在熱軋后無法有效地將其消除或改善，使得這種組織部分保留。由于鐵素體是一種較軟、強(qiáng)度較小的組織，所以在施加較強(qiáng)的外界作用力時(shí)，這種力學(xué)性能較差的帶狀鐵素體很容易開裂，同時(shí)這種帶狀組織還會(huì)使所在處鋼材的力學(xué)性能呈各向異性，顯著地降低其綜合力學(xué)性能，尤其是所在處鋼材的沖擊韌性和斷面收縮率。河南某鋼廠原材料中之所以存在如此嚴(yán)重的帶狀組織，其原因主要有以下四個(gè)方面。

1)煉鋼鋼液中非金屬夾雜物太多且分布不均勻，在一些地方呈聚集狀、連續(xù)狀分布。當(dāng)其被熱軋成管材時(shí)，由于某些地方的非金屬夾雜物呈帶狀、聚集狀、連續(xù)狀分布，且部分非金屬夾雜物沿鍛軋方向易產(chǎn)生變形，所以在管材冷卻到AC3～AC1時(shí)，鐵素體會(huì)以非金屬夾雜物為核心結(jié)晶并長(zhǎng)大析出，并在這些非金屬夾雜物呈聚集狀、連續(xù)狀的部位聯(lián)結(jié)而成鐵素體帶狀組織，此時(shí)未轉(zhuǎn)變的奧氏體亦隨后被迫轉(zhuǎn)變?yōu)閹畹闹楣怏w組織。

2)鋼液鑄成鋼錠時(shí)，一些雜質(zhì)或碳粒落入鋼液內(nèi)，使該區(qū)夾雜物濃度增大，且鋼材表面切除不徹底。

3)熱軋時(shí)變形量大，這也是帶狀組織較嚴(yán)重的原因之一。

4)鋼材中的P元素含量過高，且枝晶間富磷貧碳，所以熱軋冷卻時(shí)，當(dāng)奧氏體冷卻到析出先共析鐵素體的溫度時(shí)，先共析鐵素體就在這種富磷的貧碳地帶形核并長(zhǎng)大，形成鐵素體帶，而鐵素體帶兩側(cè)的富碳地帶則隨后轉(zhuǎn)變成珠光體帶[4－5]。

原材料中帶狀組織對(duì)工頻熱軋后的車軸顯微組織有較嚴(yán)重的不良影響。由于這種帶狀偏析組織嚴(yán)重，所以在未經(jīng)任何熱處理以消除或改善其帶狀組織而直接進(jìn)行工頻加熱熱軋成車軸時(shí)，這些帶狀組織在熱軋后仍被保留。雖然這種熱軋后空冷處理方法近似于高溫正火處理，有助于細(xì)化晶粒，改善帶狀組織，但由于熱軋加熱為工頻加熱，時(shí)間較短，因而沒有足夠的時(shí)間使合金元素充分?jǐn)U散，難以從根本上消除這種嚴(yán)重的帶狀偏析組織，尤其是在非金屬夾雜物呈聚集狀、連續(xù)狀的部位。車軸在熱軋后冷卻到AC3～AC1時(shí)，鐵素體仍會(huì)繼續(xù)以這些非金屬夾雜物為核心結(jié)晶析出，并相互聯(lián)接呈帶狀組織分布。

原材料中的疏松缺陷較為嚴(yán)重，這也使得鋼材的致密性降低，導(dǎo)致鋼材的力學(xué)性能，尤其是屈服強(qiáng)度降低，材料的抗破斷能力也顯著降低，在熱軋時(shí)易產(chǎn)生折疊。

3.2 軋輥設(shè)計(jì)

由于軋輥輥角太小，使熱軋時(shí)橫向拉應(yīng)力太大，致使輥?zhàn)釉阡摬谋砻鎵浩鸩ɡ诵蔚亩?，前面輥?zhàn)訅浩鸬亩颖浑S后趕到的輥?zhàn)訅河阡摬牡谋砻妫瑥亩a(chǎn)生裂紋。重新設(shè)計(jì)軋輥時(shí)，增大輥角，這樣在熱軋鋼材表面沒有發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂紋，但在對(duì)鋼材進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)仍有磁粉堆積。這說明鋼材中仍然存在顯微裂紋或帶狀非金屬夾雜物，所以這種材料仍然不能使用。

4 結(jié)語

車軸熱軋件裂紋產(chǎn)生的原因是折疊引起的，產(chǎn)生折疊的主要原因是車軸原材料存在缺陷。硫、磷等雜質(zhì)元素的含量偏高，非金屬夾雜物含量過多，帶狀組織級(jí)別較嚴(yán)重，這是產(chǎn)生折疊的主要原因。

1)選材時(shí)應(yīng)嚴(yán)格考慮鋼材的潔凈度，控制硫、磷等有害雜質(zhì)元素的含量，嚴(yán)格控制各種低倍缺陷的級(jí)別。

2)增大輥角，減小熱軋時(shí)的橫向拉應(yīng)力。

3)因本批材料尚未出廠，應(yīng)回收已生產(chǎn)的車軸，并對(duì)剩余的原材料作相應(yīng)處理。

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