20MnB4 冷鐓鋼表面開裂原因分析

文／魯輝·北京新光凱樂汽車?yán)涑尚图煞萦邢薰?/p>

在冷鐓生產(chǎn)過程中會經(jīng)常面臨冷鐓件開裂不良問題，為了從根本上找出開裂原因，本文從20MnB4 材質(zhì)冷鐓單法蘭管件開裂不良零件入手，首先分析冷鐓各工位件成形工藝，排除冷鐓工藝導(dǎo)致零件開裂的可能性；其次對冷鐓原材料CHQ 盤卷分析，其化學(xué)成分、機械拉伸性能指標(biāo)、冷頂鍛試驗以及金相顯微組織，逐項進行排除；并利用掃描電鏡這一高科技手段分析冷鐓鋼表面開裂處形態(tài)、開裂處夾雜物成分組成，最終找出開裂原因。由試驗分析得出，因20MnB4 材料裂紋處基體中存在大顆粒夾雜物Al2O3，破壞了鋼材組織的連續(xù)性，降低冷鐓材料塑性，造成冷鐓過程零件沿著夾雜物缺陷形成開裂缺陷。

冷成形工藝是利用金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，并借助于模具，使金屬體積作重新分布及轉(zhuǎn)移，從而形成所需要的零件形狀的一種加工方法。冷成形工藝具有加工速度快、材料損耗低、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品表面粗糙度低(可達Ra6.3μm)、產(chǎn)品精度高等特點。我公司一直專注于各種鋼制或者鋁合金類冷鐓零部件的生產(chǎn)，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于乘用車汽車底盤、安全帶、轉(zhuǎn)向等方面。由于對產(chǎn)品質(zhì)量要求高，要求產(chǎn)品零缺陷，對冷成形用原材料CHQ 線材有更高要求，除要求較高的尺寸精度(h9)、圓度、較高的塑性、較低的硬度和良好的表面質(zhì)量外，還要求原材料具有良好的內(nèi)在質(zhì)量，因此分析研究冷鐓鋼盤條夾雜物對開裂的影響具有重要意義。

20MnB4 材料生產(chǎn)工藝流程

我公司使用20MnB4盤條生產(chǎn)汽車用單法蘭管件，其生產(chǎn)、加工工藝流程為：鋼廠鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF ＋RH 雙聯(lián)精煉→大方(325mm×280mm)→開坯(160mm×160mm)→方坯檢查(拋丸、探傷、修磨)→加熱爐加熱-控軋控冷→精整-檢驗→打包入庫→盤卷酸洗→粗拉→球化處理→酸洗→精拉定徑→線材矯直→原材料剪切→料塊整形→6 工位成形→產(chǎn)品清洗→表面烘干→檢測入庫→包裝發(fā)貨。

研究方法

在使用20MnB4 盤條生產(chǎn)單法蘭管件時發(fā)現(xiàn)，存在個別管件出現(xiàn)開裂的質(zhì)量缺陷。影響冷鐓鋼冷鐓開裂的原因較多，其機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，具體的影響因素會以不同的方式影響到產(chǎn)品的冷鐓性能，從而造成產(chǎn)品冷鐓開裂。為此，對冷鐓生產(chǎn)單法蘭管件所使用的20MnB4 原材料以及生產(chǎn)工位件(共計6 工位)進行逐一分析，從而推斷產(chǎn)生開裂的階段。

影響冷鐓鋼線材質(zhì)量的因素主要有化學(xué)成分、表面質(zhì)量、力學(xué)拉伸性能、冷頂鍛試驗、顯微組織結(jié)構(gòu)和非金屬夾雜物等幾個方面。選擇同一批次冷鐓后開裂的零件和精制線材進行對比分析，對可能引起零件表面開裂的原因逐一分析研究。

化學(xué)成分分析

使用直讀光譜儀對缺陷樣品進行化學(xué)成分分析，測量結(jié)果見表1。缺陷樣品化學(xué)成分實測值符合20MnB4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，與歷史生產(chǎn)批次無明顯差異，因此化學(xué)成分對開裂的影響可以排除。

表1 化學(xué)成分表(wt%)

拉伸性能分析

為滿足冷鐓工藝要求，對冷鐓所使用線材的抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率等指標(biāo)做了相關(guān)試驗。取缺陷批次冷鐓線材樣棒，采用萬能試驗機對樣棒進行拉伸性能分析，性能結(jié)果見表2。拉伸性能數(shù)據(jù)均符合該材料技術(shù)要求，與歷史生產(chǎn)批次無明顯差異，因此強度性能等因素對開裂的影響可以排除。

表2 拉伸性能結(jié)果

冷頂鍛試驗分析

對問題批次線材進行取樣(直徑φ26.5mm，高度53mm)，利用頂鍛試驗設(shè)備做1/3 頂鍛試驗，試驗后目視檢查表面無開裂現(xiàn)象(圖1)，符合材料技術(shù)要求，由此可以得出冷鐓開裂不是表面質(zhì)量問題所致的結(jié)論。

原材料試樣顯微組織分析

截取原材料樣段(圖2)，直徑φ26.5mm，高度15mm。試樣經(jīng)鑲嵌→磨削→拋光后，再利用3%硝酸酒精腐蝕，最后用LEICA DMi8 金相顯微鏡觀察試樣。試樣中心位置顯微組織見圖3(a)，試樣R/2 處顯微組織，見圖3(b)。試樣顯微組織顯示，組織為球化退火組織，球化級別達到5 級，符合冷鐓鋼原材料技術(shù)要求，原材料金相組織正常，排除了因為球化組織不良導(dǎo)致的開裂。

冷成形設(shè)備檢查

對冷成形工序中6 個工位的模具和工位件進行準(zhǔn)確尺寸測量，均符合圖紙尺寸要求，且與之前的生產(chǎn)批次SPC 數(shù)據(jù)記錄一致，可以排除冷成形生產(chǎn)過程對缺陷產(chǎn)生的影響。

缺陷件開裂原因分析

⑴金相分析。

取冷成形開裂零件，目視開裂位置在法蘭上，見圖4(a)。用體視顯微鏡觀察零件桿部，發(fā)現(xiàn)開裂位置的桿部延長線上存在直線狀微裂紋，見圖4(b)。在桿部延長線截取橫截面試樣進行金相分析，試樣經(jīng)鑲嵌→磨削→拋光后，用LEICA DMi8 金相顯微鏡觀察試樣，在試樣的裂紋中發(fā)現(xiàn)存在大型夾雜物，夾雜物長度達到310μm，見圖5(a)；用3%硝酸酒精對試樣進行腐蝕，觀察試樣顯微組織，顯微組織是球化

退火組織，球化級別達到5 級，見圖5(b)。⑵EDS 能譜分析。

用掃描電鏡對開裂處的夾雜物進行EDS 能譜分析，EDS 能譜分析出夾雜物中含有Al、Mg、O、Ca、Si 等元素，是典型的內(nèi)生夾雜物，見圖6。

⑶夾雜物來源分析。

鋼中的夾雜物包括內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物兩部分，一般來說內(nèi)生夾雜物是煉鋼過程中的脫氧產(chǎn)物，夾雜物尺寸較小，在鈣處理后形成高熔點小顆粒CaS和Mg-Al 尖晶石，一般很難形成上述大尺寸的夾雜物，但是此類夾雜物在上浮過程中發(fā)生聚集，未來得及去除時易形成大尺寸夾雜物。這類夾雜物一般的特征是外形不規(guī)則，尺寸比較大，分布也沒有規(guī)律，對鋼材的性能有致命的影響。

結(jié)論

⑴20MnB4 材料冷成形開裂零件樣品法蘭處，有目視可見的較大宏觀裂紋，大裂紋在桿部延長線上有微觀開裂。

⑵經(jīng)過電鏡掃描分析，夾雜物為煉鋼過程中的內(nèi)生夾雜物聚集而成，軋制后呈長條不規(guī)則形式存在于基體內(nèi)。該類夾雜物會破壞材料組織的連續(xù)性和基體的連續(xù)性，降低冷鐓鋼的塑性指標(biāo)。

⑶鋼材中存在大型內(nèi)生夾雜物的主要原因是煉鋼精煉工序中夾雜物在上浮過程中發(fā)生聚集，未來得及去除。

⑷鋼中夾雜物，對產(chǎn)品質(zhì)量影響尤為關(guān)鍵，會破壞鋼基體的連續(xù)性，在冷成形時極易形成裂紋源，熱處理時易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生淬火裂紋。

因此，煉鋼生產(chǎn)過程中，對夾雜物要嚴(yán)格控制，可采取擴大中包容量、優(yōu)化流場，使夾雜物在澆注過程中充分上浮去除。