工具鋼40CrV開裂原因分析及對策

朱小龍

江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司，中國·江蘇 淮安 223002

1 引言

合金鋼40CrV 具有高強(qiáng)度和高屈服點(diǎn)的特點(diǎn)，冷變形塑性和切削性均屬中等，過熱敏感性小，但有回火脆性傾向及白點(diǎn)敏感性[1]。一般在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，多用于制造變載、高負(fù)荷的各種重要零件，如機(jī)車連桿、曲軸、推桿、螺旋槳、橫梁、軸套支架、雙頭螺柱、螺釘、滲碳齒輪以及工具扳手等[2-4]。江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司供給下游用戶的工具鋼40CrV，在熱鍛工序出現(xiàn)表面裂紋或崩料的質(zhì)量問題。借助金相顯微鏡、掃描電鏡、直讀光譜、能譜分析等材料分析手段，明確40CrV 熱鍛開裂的產(chǎn)生原因。

2 缺陷樣品描述

40CrV、Φ30mm 的主要生產(chǎn)流程為：下料→中頻加熱→模鍛→拋丸→全檢→沖開口→拉削→研磨→淬火→回火→拋丸。用戶在沖開口工序和熱鍛后拋丸工序發(fā)現(xiàn)裂紋或崩料缺陷。

3 原因分析

3.1 成分檢測

對來料樣品進(jìn)行成分檢測分析，結(jié)果如表1所示，樣品成分完全滿足技術(shù)協(xié)議要求，且不同規(guī)格間成分偏差不大，未發(fā)現(xiàn)異常。

表1 來料樣品成分檢測表

3.2 缺陷宏觀形貌

Φ30mm 扳手的缺陷樣品有兩個(gè)，標(biāo)記為1 號和2 號，1 號試樣在扳手虎口表面存在一條半圓形的裂紋，而2 號試樣在虎口尖端發(fā)生開裂并伴有裂紋，如圖1所示。

圖1 Φ30mm 扳手缺陷的宏觀形貌

3.3 顯微組織

Φ30mm 扳手缺陷試樣的金相組織均為P+F，1 號試樣在裂紋處存在明顯的脫碳現(xiàn)象，見圖2（a）；而2 號試樣不存在脫碳現(xiàn)象，如圖2（b）所示。

圖2 Φ30mm 扳手缺陷的顯微組織

3.4 電鏡分析

為探明裂紋的形成原因，在ZEISS 掃描電鏡下對上述試樣裂紋中的物相成分進(jìn)行詳細(xì)分析。1 號試樣切取的兩個(gè)試樣進(jìn)行分析，如圖3所示；兩個(gè)試樣在缺陷處的物相均為FeO，見表2。

表2 裂紋區(qū)域能譜分析結(jié)果

圖3 1 號樣品缺陷位置的掃描組織照片

續(xù)圖3 1 號樣品缺陷位置的掃描組織照片

同時(shí)，對2 號試樣進(jìn)行掃描電鏡微區(qū)觀察，發(fā)現(xiàn)2 號試樣上存在兩條裂紋，寬度較大裂紋的未發(fā)現(xiàn)異物，而寬度較小的裂紋處發(fā)現(xiàn)了含有Na、K、Ca、Si、Al、Mg 等元素，與保護(hù)渣成分類似，懷疑裂紋是由保護(hù)渣卷入導(dǎo)致，如圖4和表3所示。

表3 裂紋區(qū)域能譜分析結(jié)果

圖4 2 號樣品缺陷位置的掃描組織照片

4 生產(chǎn)過程核查和原因分析

為了進(jìn)一步核查原因，對連鑄坯生產(chǎn)過程進(jìn)行了核查，出現(xiàn)問題的Φ30mm 鋼材批號為21510-0738，爐號為01510-0194，該爐鋼坯為電爐車間連鑄工段于2015年10月9日生產(chǎn)，為中包第8 爐，生產(chǎn)過程中第2 流結(jié)晶器液面出現(xiàn)短時(shí)的波動范圍超工藝要求情況（工藝要求：液面波動±3mm）。

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合淮鋼的生產(chǎn)過程以及用戶的加工工藝，認(rèn)為導(dǎo)致40CrV 模鍛開裂的原因?yàn)椋涸牧霞磋T坯或軋材表面存在表面缺陷，缺陷類型主要為鑄坯表面裂紋和卷渣，這些有缺陷的原材在用戶后續(xù)熱加工過程中進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致模鍛開裂或崩料，而產(chǎn)生這些缺陷的原因主要為結(jié)晶器液面波動導(dǎo)致。

5 改進(jìn)措施和實(shí)施效果

5.1 改進(jìn)措施

為了杜絕該質(zhì)量問題，分別從煉鋼生產(chǎn)和軋鋼生產(chǎn)兩方面提出了具體的改進(jìn)措施：

①增加鑄坯拋丸和磁粉探傷工序。

②煉鋼生產(chǎn)時(shí)，為保證鑄坯表面質(zhì)量，制定了生產(chǎn)過程異常管控措施。

③軋鋼生產(chǎn)時(shí)，加料工認(rèn)真檢查入爐鑄坯表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)缺陷坯要及時(shí)剔除并作修磨處理；生產(chǎn)過程中，副調(diào)整及冷床工要及時(shí)檢查鋼材表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)存在缺陷材時(shí)要及時(shí)剔除。

5.2 實(shí)施效果

上述改進(jìn)措施實(shí)施以來，共計(jì)銷售給用戶40CrV 圓鋼5000 余噸，用戶使用良好，未發(fā)生因表面質(zhì)量引發(fā)的質(zhì)量異議。

6 結(jié)語

①1 號試樣在裂紋處均存在FeO，這說明缺陷來自于連鑄坯，而且在裂紋處存在明顯的脫碳現(xiàn)象；2 號試樣在裂紋處發(fā)現(xiàn)了含有Na、K、Ca、Si、Al、Mg 等元素，與保護(hù)渣成分類似，不存在脫碳現(xiàn)象。

②40CrV 模鍛開裂的原因在于連鑄坯存在表面裂紋和卷渣，導(dǎo)致軋材存在表面缺陷，在后續(xù)熱加工過程中進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致模鍛開裂或崩料。

③通過加強(qiáng)連鑄生產(chǎn)過程異常情況管控、連鑄坯拋丸和磁粉探傷檢查、軋鋼鋼坯入爐檢查等措施，杜絕了類似質(zhì)量問題的發(fā)生。