40Cr 冷鐓鋼表面裂紋原因淺析

文/徐海霞·北京新光凱樂(lè)汽車?yán)涑尚图煞萦邢薰?/p>

40Cr 是典型的中碳調(diào)質(zhì)鋼和冷鐓模具鋼。該鋼加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，綜合性能較好。由于冷鐓工藝可以節(jié)省原材料，并最大限度地減少機(jī)械加工成本，所以一直以來(lái)深受歡迎。

冷鐓用鋼一般要求屈強(qiáng)比為0.5 ～0.65，端面收縮率大于50%。此外為避免冷鐓時(shí)表面開裂，要求鋼材表面質(zhì)量良好，同時(shí)鋼材的表面脫碳要盡可能小。因此冷鐓鋼大多為低碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，因其具有優(yōu)良的沖擊韌性，可滿足冷鐓高變形率的要求。但由于零件材質(zhì)要求，也會(huì)使用少量中碳素結(jié)構(gòu)鋼。中碳鋼強(qiáng)度較高，塑性稍差于低碳鋼，控制不好的話，在冷鐓過(guò)程中，易造成開裂缺陷。

我公司用40Cr 冷鐓鋼生產(chǎn)汽車底盤系統(tǒng)的軸類零件，該軸類零件對(duì)汽車的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。40Cr 材質(zhì)軸類零件產(chǎn)生了開裂缺陷，為此我們對(duì)開裂缺陷件進(jìn)行了取樣檢驗(yàn)和分析，以找出開裂原因。

工藝流程及研究方法

40Cr 軸件生產(chǎn)工藝流程

冷鐓用40Cr 精制線材加工流程：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐→（VD/RH）爐→連鑄（150mm× 150mm 方坯）→鑄坯檢查→拋丸、探傷、修磨→高線軋制→檢驗(yàn)→酸洗→1 次拉絲→熱處理→酸洗與皮膜處理→2 次拉絲→檢測(cè)→包裝。

40Cr 線材的冷鐓工藝流程

矯直→剪切→整形→成形→清洗→烘干，成形共分6 個(gè)步驟，逐步將產(chǎn)品冷鐓至目標(biāo)尺寸。

研究方法

影響冷鐓鋼冷鐓開裂的原因較多，其機(jī)理主要是冷鐓鋼塑性降低、組織連續(xù)性和基體連續(xù)性受到破壞，具體的影響因素會(huì)以不同的方式影響到產(chǎn)品的冷鐓性能，造成產(chǎn)品冷鐓開裂。為此，根據(jù)此工件的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行初步分析，確定產(chǎn)生裂紋的階段。

經(jīng)對(duì)冷鐓過(guò)程6 個(gè)工位樣件進(jìn)行尺寸測(cè)量，均符合工藝要求，排除了冷鐓產(chǎn)生缺陷的可能。為此，可以確認(rèn)產(chǎn)生缺陷的過(guò)程是在線材加工流程。

分別取冷鐓后開裂的零件和母材試樣，對(duì)可能導(dǎo)致產(chǎn)生表面裂紋的因素進(jìn)行逐一分析。而影響40Cr合金冷鐓鋼盤條產(chǎn)品質(zhì)量的因素主要包括化學(xué)成分、非金屬夾雜物、表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面，以下將從這幾個(gè)方面進(jìn)行具體分析。

試驗(yàn)檢驗(yàn)與分析

化學(xué)成分分析

采用光譜儀對(duì)缺陷件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

開裂零件批次化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，排除化學(xué)成分不合格造成開裂可能性。

表1 化學(xué)成分表(wt%)

拉伸性能分析

為滿足冷鐓工藝要求，對(duì)冷鐓用線材做了強(qiáng)度和塑性技術(shù)要求。取同批次冷鐓線材樣棒，采用60t 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)缺陷件進(jìn)行拉伸性能分析，結(jié)果見表2。

開裂零件批次的拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，排除原材料拉伸性能不合格造成開裂可能性。

頂鍛試驗(yàn)

在線材上截取試樣，直徑24mm，長(zhǎng)度24mm，做1/2 頂鍛試驗(yàn)，試驗(yàn)后表面無(wú)開裂，符合技術(shù)要求，排除頂鍛性能不合格造成開裂可能性。

顯微組織分析

⑴母材試樣。取母材樣，直徑φ30mm，高度15mm，如圖1 所示。處理步驟：對(duì)試樣裂紋處進(jìn)行線切割、金相研磨、拋光、腐蝕，制備成金相試樣，采用激光共聚焦顯微鏡觀察了母材的心部、1/4 處和距邊緣1mm 位置的微觀組織照片，結(jié)果如圖2 所示。

從金相照片可知，母材組織為球化退火組織，分布均勻，球化級(jí)別符合冷鐓鋼原材料技術(shù)要求，因此判定母材組織無(wú)異常。

缺陷件金相分析

取冷鐓開裂零件如圖3所示。處理步驟：對(duì)試樣裂紋處進(jìn)行線切割、金相研磨、拋光，制備成金相試樣，在激光共聚焦顯微鏡下進(jìn)行金相和裂紋觀察。

如圖4 所示，在冷鐓零件樣的橫剖面的裂紋中發(fā)現(xiàn)了夾雜物，夾雜物在鋼材基體中，從形貌上判斷不是后期加工或者樣品制備帶來(lái)的。

表2 拉伸性能結(jié)果

掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

在掃描電鏡SEM 下，觀察試樣裂紋的走勢(shì)分布及形態(tài)，并對(duì)裂紋缺陷處物質(zhì)進(jìn)行EDS 能譜分析。圖5 為圖3 中冷鐓零件樣紅色標(biāo)記內(nèi)的肉眼可見的宏觀裂紋橫剖面形貌照片，沿裂紋方向夾雜物缺陷的能譜（EDS）分析如圖6 所示。能譜分析表明，這些夾雜物缺陷的成分主要為Al、O、Ca、Mg、Si、Ti、S，其中主要為Al2O3，且Al2O3顆粒的長(zhǎng)度達(dá)到200 ～300μm，基體成分主要為Fe。

圖7 為沿冷鐓零件邊部環(huán)周的細(xì)微裂紋形貌照片，由圖中可知冷鐓零件樣中的細(xì)微裂紋主要分布在近表層處，且裂紋分布在距離邊部約1.4mm 的范圍內(nèi)。

對(duì)圖7 中觀察到的細(xì)微裂紋，沿裂紋方向夾雜物缺陷的能譜（EDS）分析如圖8 所示。能譜分析表明，這些夾雜物缺陷的成分主要仍為Al、O、 Ca、Mg、Si、Ti、S，其中主要為Al2O3，且Al2O3顆粒的長(zhǎng)度達(dá)到200 ～300μm，基體成分主要為Fe。由此可知，試樣中的裂紋是沿著這些夾雜物缺陷進(jìn)行擴(kuò)展。

夾雜物來(lái)源分析

根據(jù)不良產(chǎn)品批次信息、掃描電鏡實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，調(diào)查原料生產(chǎn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該批次產(chǎn)品對(duì)澆注工序耐火材料進(jìn)行了更換，之前耐火材料已經(jīng)損壞掉渣，推斷鋼材中大顆粒夾雜物為耐火材料掉入鋼坯中。

結(jié)論

⑴40Cr 冷鐓零件樣近表面層的肉眼可見的宏觀裂紋及邊部環(huán)周的細(xì)微裂紋沿夾雜缺陷進(jìn)行擴(kuò)展。

⑵主要夾雜物為呈長(zhǎng)條狀分布的大尺寸Al2O3。

⑶試樣近表面層中的硬質(zhì)相Al2O3 長(zhǎng)條帶，破壞鋼組織連續(xù)性和基體連續(xù)性，降低冷鐓鋼的塑性，是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

⑷鋼坯澆注耐火材料的損壞是造成鋼坯中大顆粒夾雜的主要原因，加強(qiáng)對(duì)鋼坯澆注耐火材料的壽命管理，可有效防止類似情況再次發(fā)生。

由此可見，鋼中非金屬夾雜物數(shù)量多、尺寸大、不易變形是直接影響標(biāo)準(zhǔn)件冷鐓開裂的一個(gè)重要原因，尤其是非金屬夾雜中的B 類和D 類脆性?shī)A雜，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響更為關(guān)鍵。鋼坯制造過(guò)程中，除了需要在煉鋼時(shí)注重夾雜物的去除，還應(yīng)對(duì)澆注過(guò)程的外來(lái)夾雜物進(jìn)行管控和防護(hù)。