對25MnB鋼鍛件機(jī)加工痕跡的檢測分析

劉桂江，邢國成，安杰，巴帥智，王軍敏

撫順特殊鋼股份有限公司 遼寧撫順 113001

1 序言

汽車對于人們的日常生產(chǎn)生活具有重要的影響，零部件作為汽車生產(chǎn)過程中的重要組成部分，與一般的制造業(yè)是不完全相同的，其對于質(zhì)量的要求更高。在汽車及零部件生產(chǎn)過程中，需要針對其全過程進(jìn)行全面把握[1]，因?yàn)檫@直接影響汽車行駛的安全性和可靠性，汽車失效件的檢驗(yàn)分析無疑是零部件質(zhì)量提升的重要課程之一。無論是“制動門”、“斷軸門”，還是其他召回事件，都與其零部件存在質(zhì)量缺陷密切相關(guān)，從某種意義上說，不合格零部件是汽車安全隱患背后的“真兇”[2]。

汽車零部件制造企業(yè)上銜鋼材供應(yīng)商，下接汽車系統(tǒng)組裝廠、整車廠，可以說是汽車行業(yè)中比較重要的環(huán)節(jié)[3]，因此提高汽車零部件質(zhì)量、根本性解決零部件質(zhì)量問題對汽車安全行駛具有重要意義。

2 取樣過程及缺陷件宏觀形貌

某零部件鍛造廠在加工25MnB鋼毛坯件時(shí)，在經(jīng)過車削后的零件表面發(fā)現(xiàn)疑似裂紋的“痕跡”，缺陷比例較大，廢品率較高，并對缺陷進(jìn)行了初步檢驗(yàn)，認(rèn)為該“痕跡”產(chǎn)生于原料棒材原始缺陷。本研究針對此情況，對缺陷零件進(jìn)行了檢驗(yàn)，并到鍛造廠加工現(xiàn)場檢查廢品情況，以觀察宏觀缺陷，確定缺陷產(chǎn)生原因。

零件加工流程：鋸切下料→感應(yīng)加熱→鍛造→機(jī)加工，在精車光表面上發(fā)現(xiàn)此種“痕跡”缺陷。這批棒材下料后鍛造約萬余件，鍛后車削過程發(fā)現(xiàn)25%左右的廢品。實(shí)際到加工現(xiàn)場確認(rèn)后發(fā)現(xiàn)：鍛件有的為桿狀軸件，有的為餅形的齒輪毛坯。軸件車光后缺陷形貌如圖1所示，沿軸件表面縱向較長范圍內(nèi)存在一段痕跡；齒坯車光后在兩側(cè)面發(fā)現(xiàn)如圖2所示的暗色痕跡，形態(tài)似裂紋。但這種缺陷在鍛后毛坯件黑皮狀態(tài)下無法發(fā)現(xiàn)，車光后經(jīng)熒光磁粉檢測、滲透著色檢測也均無缺陷顯示，必須人工在不同角度入射光線下檢查才可觀察到。

圖1 軸件上的“痕跡”

圖2 齒坯上的“痕跡”

3 理化檢驗(yàn)

3.1 化學(xué)成分

零件的化學(xué)成分見表1，零件化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不是導(dǎo)致零件產(chǎn)生“痕跡”缺陷的原因。

表1 零件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 金相檢驗(yàn)

如圖3所示，在零件“痕跡”位置取樣，在垂直“痕跡”方向上進(jìn)行磨拋制樣，試樣未腐蝕狀態(tài)在光學(xué)顯微鏡下無明顯缺陷，試樣邊緣平滑，組織一致，無裂紋夾雜物等缺陷。

圖3 未腐蝕（50×）

采用4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后，目視可見與宏觀狀態(tài)對應(yīng)處存在一條暗色條帶，光學(xué)顯微鏡下50倍的圖像如圖4所示。結(jié)合未腐蝕狀態(tài)試樣分析，暗色條帶處不是裂紋缺陷，而是一種組織偏析，對比正?；w，暗色條帶處滲碳體組織比例略高，鐵素體組織略少，對比之下形成暗色條帶的表象。

圖44%硝酸乙醇溶液腐蝕（50×）

3.3 掃描電鏡分析

如圖5、圖6所示，將腐蝕后標(biāo)記好的試樣置于掃描電鏡下觀察，低倍數(shù)下隱約可見暗色條帶，二次電子圖像效果略好。如圖7所示，將圖像放大至500倍，局部發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀非金屬夾雜物。采用能譜儀定量分析，結(jié)果見表2。非金屬夾雜物以MnS為主，局部富Ti，譜圖分析如圖8所示。

圖5 電鏡背散射電子圖像（30×）

圖6 電鏡二次電子圖像（30×）

圖7 能譜分析圖像（500×）

表2 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖8 能譜分析譜圖

4 鍛件痕跡形成原因分析與改善

如圖9所示，選一帶有“痕跡”的軸件，在其與原材料尺寸接近位置取低倍試樣，進(jìn)行酸浸低倍檢驗(yàn)，局部放大后可見一線性條帶，在此條帶兩側(cè)，樹枝晶方向不同，推斷該處為連鑄方坯角部。此條帶在未腐蝕狀態(tài)下無法發(fā)現(xiàn)，需經(jīng)過低倍酸浸腐蝕或較重腐蝕后方可顯現(xiàn)，鍛件上的“痕跡”與之具有吻合性，推斷鍛件上的“痕跡”遺傳自棒材及連鑄坯的原始皮下偏析，研究表明，這些硫化物是鋼中共晶反應(yīng)及包晶反應(yīng)的產(chǎn)物[4]。凝固的坯殼受到過大的應(yīng)力，導(dǎo)致凝固前沿樹枝晶分離，這樣就在凝固前沿產(chǎn)生內(nèi)部空隙。由于選分結(jié)晶，凝固前沿的富集溶質(zhì)被吸到空隙內(nèi)，所以在微小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生成分偏析線，也稱“鬼線”。此類鋼為含硫鋁鎮(zhèn)靜鋼，硫含量增加了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的敏感性。

圖9 低倍形貌

連鑄坯在二冷區(qū)的冷卻是一個(gè)不斷釋放熱量的過程，表面溫度呈下降趨勢，相鄰噴嘴間由于存在噴水冷卻和輻射冷卻的交替進(jìn)行，導(dǎo)致鑄坯表面溫度的周期波動，當(dāng)鑄坯表面正對噴嘴中心時(shí)，鑄坯溫度降低，偏離噴嘴中心時(shí)溫度再回升。若鑄坯通過二冷區(qū)時(shí)冷卻不均勻，鑄坯溫降速度和溫度回升速度過快，鑄坯發(fā)生多次回溫過程，坯殼多次變形則加劇皮下偏析情況。因此，可以說二冷區(qū)冷卻的均勻與否直接影響坯殼凝固的均勻性[5]。

通過提升設(shè)備穩(wěn)定性及實(shí)施操作標(biāo)準(zhǔn)化后，再次供應(yīng)棒材生產(chǎn)的鍛件機(jī)加工后無此痕跡出現(xiàn)。主要的改善措施有：結(jié)晶器上線前，檢查并調(diào)整銅管水套，保持四面水縫均勻，防止坯殼厚度不均勻，增加應(yīng)力；加強(qiáng)結(jié)晶器與足輥、足輥與活動段的對中性，控制誤差＜0.15mm；中間包過熱度控制目標(biāo)為20~40℃，防止高過熱度增加裂紋敏感性；對噴嘴進(jìn)行噴射角、流量以及噴水分布的檢測，抽檢比例≥總數(shù)的30%；連鑄生產(chǎn)期間，每小時(shí)檢查風(fēng)壓，保證二冷水霧化正常，防止偏溫導(dǎo)致鑄坯菱變。

5 結(jié)束語

1）機(jī)加工后鍛件表面的“痕跡”始于鋼棒材原始組織偏析，而非鋼材基體不連續(xù)的裂紋缺陷。

2）“痕跡”處偏析組織主要為MnS，局部富Ti。

3）提高連鑄設(shè)備穩(wěn)定性及規(guī)范連鑄作業(yè)操作后，偏析組織得到消除。