42CrMo鋼鍛件的白點(diǎn)研究

牛立群 許敬月 楊德生 李七平

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅730314)

42CrMo鋼鍛件的白點(diǎn)研究

牛立群 許敬月 楊德生 李七平

(1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅730314)

對42CrMo鋼鍛件白點(diǎn)的生成原因進(jìn)行研究，采取相應(yīng)的冶煉、鍛造和熱處理工藝和方法進(jìn)行控制，以避免白點(diǎn)生成，提高42CrMo鋼鍛件質(zhì)量。

42CrMo；白點(diǎn)；鍛造工藝；熱處理工藝

42CrMo鋼屬于合金結(jié)構(gòu)鋼中的鉻鉬鋼，由于具有良好的綜合力學(xué)性能、較高淬透性和熱加工工藝好的優(yōu)點(diǎn)，主要用于制造強(qiáng)度要求較高或調(diào)質(zhì)斷面較大的鍛件，如機(jī)車牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪，后軸、彈簧、發(fā)動機(jī)氣缸等[1]。但實(shí)踐證明，42CrMo鋼很容易產(chǎn)生白點(diǎn)，白點(diǎn)的存在嚴(yán)重破壞鋼的力學(xué)性能，導(dǎo)致大鍛件的塑性降低，熱處理淬火時容易導(dǎo)致鍛件開裂，在使用中極易發(fā)生脆性斷裂[2]。

我公司生產(chǎn)了3根10 t的42CrMo鋼錠，把鋼錠鍛造成工裝芯棒，在芯棒首次使用時出現(xiàn)相應(yīng)的質(zhì)量問題，表現(xiàn)為芯棒發(fā)生了脆性斷裂。如不能及時解決我廠生產(chǎn)的42CrMo鋼錠質(zhì)量問題，將會給我廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和事故。因此，必須對42CrMo鋼鍛件的質(zhì)量進(jìn)行攻關(guān)。

1 工藝過程

工藝路線為：EAF電爐冶煉→LF精煉→澆注→入坑緩冷→脫模→加熱→鍛壓→正火+調(diào)質(zhì)處理。42CrMo鋼化學(xué)成分要求如表1所示。具體工藝過程為：

(1)鋼錠脫模后沒有進(jìn)行去應(yīng)力退火；

摘 要：通過近年來在教學(xué)過程中的觀察與分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在歷史非選擇題的做答中存在“題目不見難，得分不見高”和“一看感覺會，答時難下筆”的怪現(xiàn)象。就以教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來闡述該如何掌握歷史答題技巧，以期為相關(guān)人員提供參考。

(2)鍛造前加熱工藝如圖1所示；

(3)鍛造過程：壓下量20%左右，直接拔長至?580 mm×6000 mm；

表1 42CrMo鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of 42CrMo steel (mass fraction, %)

圖1 鍛造前加熱工藝Figure 1 The heating process before forging

白點(diǎn)的生成是中碳合金結(jié)構(gòu)鋼固有的缺陷，尤其是Cr、Mo鋼經(jīng)常在大截面的鋼坯或鍛件中出現(xiàn)[4]。說明42CrMo鋼確實(shí)是白點(diǎn)敏感鋼。圖3是芯棒斷口形貌，斷裂時材料幾乎沒有發(fā)生過塑性變形，芯棒脆斷時沒有明顯的伸長或彎曲，更無縮頸，是斷口平齊且與正應(yīng)力相垂直的典型脆性斷裂。芯棒鍛造屬于軸類鍛件的拔長，表層處于難變形區(qū)和小變形區(qū)，表面以下一定深度到中心范圍內(nèi)是大變形區(qū)。鍛造過程中由于工件的翻轉(zhuǎn)，表層在難變形區(qū)和小變形區(qū)之間交換，而表層一定深度到心部范圍內(nèi)一直處于大變形區(qū)，由于變形不均勻，截面中間部分受兩向壓應(yīng)力，兩側(cè)邊緣部分受軸向拉應(yīng)力和厚度方向壓應(yīng)力。由圖3可以明顯看出大變形區(qū)域引起裂紋集中，H在裂紋處聚集，同時因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的誘導(dǎo)擴(kuò)散，氫壓增大到等于金屬原子鍵結(jié)合力，原子鍵斷裂，導(dǎo)致裂紋的長大，形成白點(diǎn)[5]。鍛造完成后，變形不均勻狀態(tài)并不消失，殘余應(yīng)力殘留在鍛件內(nèi)部，所以白點(diǎn)的生成概率在心部范圍比較高。根據(jù)金屬塑性變形理論，高溫塑性變形過程是存在著微裂紋的萌生和愈合的過程。在此過程中很可能會有一些微裂紋沒有愈合而保留下來，成為變形后的組織缺陷。如圖4是裂紋形貌及成分分析，在裂紋處有夾雜物氧化鈣，鍛造使金屬晶粒和夾雜物形成晶界間隙。如果H在間隙處聚合成氫分子，形成氣體壓力大于原子間鍵結(jié)合力，就會使原子間的聯(lián)系進(jìn)一步遭到破壞而徹底斷裂，形成宏觀裂紋[6]。所以必須嚴(yán)格控制夾雜物含量，也是減少白點(diǎn)產(chǎn)生的重要條件。

(4)鍛造結(jié)束直接進(jìn)行正火+調(diào)質(zhì)處理(水淬、空冷)。

2 測試方法與結(jié)果

(2)金相觀察按GB/T 226—1991進(jìn)行低倍實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)芯棒切片分布有細(xì)小條狀和圓點(diǎn)狀不規(guī)則的棱角形夾雜物。低倍評級結(jié)果如表3所示。

表2 42CrMo鋼切片化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of 42CrMo steel setcion (mass fraction, %)

表3 非金屬夾雜物和晶粒度等級Table 3 The metallic inclusion and grain size grade

注：應(yīng)滿足A+C≤2.0，B+D≤2.0，A+B+C+D+DS≤4.5。

表4 42CrMo鋼力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 4 The tested results of mechanical properties of 42CrMo steel

(3)按GB/T 228—2002和GB/T 229—2007要求制取拉伸試樣，進(jìn)行42CrMo鋼材料的力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表4所示。

3 分析與討論

(1)42CrMo鋼鍛后必須采取合理的熱處理工藝。

為確定造成42CrMo芯棒在使用過程中發(fā)生脆性斷裂的真正原因，在芯棒斷面切片，對典型的缺陷部位取樣分析。在低倍酸浸后，肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，距試樣表面一定距離處或近中心部分分布的鋸齒形狀的細(xì)長裂紋呈放射狀的同心圓或不規(guī)則形狀。低倍酸浸檢驗(yàn)結(jié)果為典型的白點(diǎn)裂紋缺陷，見圖2。

對比表1與表2發(fā)現(xiàn)，所煉鋼錠Mn偏低，Ni偏高，Cr偏低，Cu偏高。根據(jù)有關(guān)資料顯示，42CrMo 鋼鍛件無白點(diǎn)生成，H的極限含量是2.7 μg/g。根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，芯棒切片H含量嚴(yán)重高于極限H含量大約10個數(shù)量級[2]。鋼錠中高含量H為鍛造后白點(diǎn)生成提供了前提條件。影響H在鐵中溶解度的主要因素有溫度、組織和合金元素。H在鋼液中溶解為吸熱反應(yīng)，溫度越高溶解度越大。當(dāng)鋼錠冷卻至室溫時，可能在缺陷或縮松縮孔處形成高壓氣體，在高壓氣體和應(yīng)力的作用下形成白點(diǎn)裂紋。在馬氏體和珠光體鋼中容易形成白點(diǎn)，而在奧氏體、鐵素體和萊氏體鋼中一般不形成白點(diǎn)。C、Si、Mo、Al能降低H的溶解度，而Ni、Mn、Co則提高H在鋼液中的溶解度，所以在合理的42CrMo成分范圍內(nèi)，盡量提高C、Si、Mo、Al元素的含量，降低Ni、Mn、Co元素的含量。

3.3 熱處理工藝的影響

圖2 42CrMo鋼典型白點(diǎn)裂紋缺陷Figure 2 The typical crack defect of flake of 42CrMo steel

(1)所用試樣從鍛件斷口處取厚度為?580 mm×20 mm切片，材料為42CrMo。化學(xué)成分如表2所示。

式中:MDTBP為DTBP的質(zhì)量;TS為樣品溫度;TTc為熱電偶測得溫度;TOven為爐體溫度;τ1為樣品熱電偶響應(yīng)的時間常數(shù);τ2為爐體加熱系統(tǒng)響應(yīng)的時間常數(shù);τ3為樣品反應(yīng)過程中樣品散熱的時間常數(shù)。τ1=0.3 s、τ2=40 s和τ3=55 s取經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行仿真。仿真過程中,實(shí)際絕熱加速量熱儀中對溫度的采樣頻率為10 Hz,則模型中一次反應(yīng)進(jìn)程所經(jīng)歷的時間大于0.1 s時記錄樣品和爐體溫度。

根據(jù)金相檢測結(jié)果，鍛件的非金屬夾雜物和晶粒度等級均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 殘余應(yīng)力和缺陷的影響

食品自生產(chǎn)至消費(fèi)過程中出現(xiàn)任何環(huán)節(jié)的失誤，都可能引發(fā)食品安全事故。因此，加強(qiáng)環(huán)節(jié)監(jiān)控，確保細(xì)節(jié)合格，成為越來越多食品企業(yè)履行的義務(wù)。

定理3.3 設(shè)u∈H，給定參數(shù)γ∈(0,2)和且滿足條件：和{yk}∈Hm由Ⅰ型三算子分裂算法9定義，則強(qiáng)收斂于問題(2.3)的解。

小說將完全對立的兩個人物安排在一起，一崇高、一鄙俗；一理想、一現(xiàn)實(shí)；兩種視角針鋒相對，又相互穿插、碰撞，最后彼此成就從而使作品達(dá)到一種獨(dú)特的完滿的藝術(shù)效果。讀者看到作品中變化著角度的世界，既獲得共鳴也產(chǎn)生思考。

3.1 化學(xué)成分影響

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(2)42CrMo鍛后必須保溫一段時間，使鍛件內(nèi)外溫度均勻，以消除冷卻時的溫度應(yīng)力和不均勻變形引起的殘余應(yīng)力。接下來慢慢冷卻到Ms之上10～30℃，促使奧氏體不能夠完全轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈择R氏體，而是力學(xué)性能好的貝氏體，降低相變應(yīng)力，在略高M(jìn)s溫度保溫一定時間，促使奧氏體完全轉(zhuǎn)變，使H盡量向外擴(kuò)散。但由于溫度低，H擴(kuò)散能力不足，鍛件表面能夠析出，相對較多H仍殘留在鍛件中心部分。

(3)然后再加熱到再結(jié)晶溫度以上，并保溫一段時間，使H由含量較多的部位向表面擴(kuò)散。此時由于再結(jié)晶的作用使鍛件的晶粒細(xì)化，為最終熱處理提供良好的條件。

糧倉位于北側(cè)橫窯東段，開間4.3m，進(jìn)深2.9m，高2.5m。倉庫內(nèi)西墻開一高窗（圖11），說明此處可以采光或通風(fēng)，則西墻外必有通風(fēng)口或采光井存在，這樣就證實(shí)在貯藏空間東側(cè)確曾有樓梯，將樓梯在上院的出口當(dāng)做采光或通風(fēng)口，在其上蓋以木板或石板遮擋，使用時掀開，平常關(guān)閉，既節(jié)省空間，又使通行方便，體現(xiàn)了當(dāng)時碹窯工匠的先進(jìn)建造思想及高超技藝。

圖3 芯棒斷口宏觀形貌Figure 3 The macroscopic appearance of fracture of core rod

wt%wt%SigmaOCaFe總量62.5030.776.72100.002.351.991.22-

圖4 裂紋形貌及成分分析
Figure 4 The crack appearance and the chemical composition analysis

圖5 新的退火工藝Figure 5 The new annealing process

(4)再次冷到Ms點(diǎn)以上，促使H從表面擴(kuò)散出去，降低鍛件中的H含量。

(5)將鍛件加熱到600～650℃并進(jìn)行充分保溫，一方面使奧氏體分解全部轉(zhuǎn)化為均勻索氏體組織，另一方面使中心的H盡量向表面擴(kuò)散。根據(jù)以上分析提出以下工藝方案，見圖5。

本文計(jì)算采用美國肯塔基州大學(xué)開發(fā)的KYPipe2010水錘分析軟件。該軟件水錘波特征方程基于彈性水柱理論的兩個基本方程，數(shù)值求解方法采取的是拉格朗日波特性法，而非特征線法。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，新的工藝方案執(zhí)行以后，42CrMo系列鍛件成品率明顯提高，說明了新的熱處理工藝方案是成功的。同時對于H含量很低的鋼仍不能取消鍛后熱處理中的擴(kuò)散去H階段，說明其作用不僅在于去H，也能恢復(fù)高溫塑性變形中產(chǎn)生的缺陷[7]。

4 結(jié)論

通過對42CrMo鋼白點(diǎn)缺陷分析，總結(jié)了對其控制和修復(fù)的方法：

(1)降低煉鋼過程中的H含量的措施：a)提高出鋼終點(diǎn)C含量，杜絕過氧化操作。b)增加攪拌強(qiáng)度，提高真空下氬氣流量。c)提高設(shè)備能力，增大真空設(shè)備的抽氣能力。

(2)從工藝方面采用降低白點(diǎn)敏感性的鍛造壓實(shí)方法，例如盡量在高溫鍛造和縮短鍛件心部到表面的距離，增大H的擴(kuò)散速度和鍛件的相對面積，使H容易從鍛件內(nèi)部析出，降低鋼的白點(diǎn)生成可能性。

(3)必須嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量，使夾雜物的含量大幅度降低，根據(jù)H含量及鍛后鍛件橫截面的大小確定合理的熱處理工藝，消除冷卻時產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和變形不均勻引起的殘余應(yīng)力。

[1] 楊再春. 42CrMo大截面鍛材內(nèi)裂探討[J].特鋼技術(shù),2001(2):34-36.

[2] 王百木.42CrMo鋼鍛件的白點(diǎn)研究[J].熱加工工藝,2010,39(9):178-180.

[3] 胡艷萍,王開遠(yuǎn).淺析《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》(GB/T 10561—2005)新標(biāo)[J].鋼結(jié)構(gòu),2007,22(9):32-36.

[4] 王洋.鍛件產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷的問題分析與預(yù)防措施[J].重工與起重技術(shù),2009(4):9-13.

[5] 武明,褚武揚(yáng),李金許.應(yīng)力和夾雜對車輪鋼中氫鼓泡的影響[J].金屬學(xué)報,2006,42(8):815-819.

[6] 陳建,郭小燕,薛雯雯,等. 42CrMo鍛件中夾雜物誘發(fā)白點(diǎn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2008,36(5):23-27.

[7] 王仲仁.鍛壓手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

編輯 杜青泉

Study on Flake of 42CrMo Steel Forgings

Niu Liqun, Xu Jingyue, Yang Desheng, Li Qiping

The cause of generation for the flake of 42CrMo steel forgings has been studied. By adopting the relevant smelting, forging and heat treament processes to control, the appearance of flake can be avoided, so as to improve the quality of 42CrMo steel forgings.

42CrMo; flake; forging process; heat treatment process

2016—09—06

甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015GS05896)

牛立群(1986—)，男，助理工程師，研究生，主要從事鑄鍛工藝過程模擬及應(yīng)用研究。

TG142.4

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