40crni是塑型材料還是剛性材料（40CrNiMoA鋼低倍缺陷產生原因）

2023-10-04 00:21:04 1

摘 要:對某汽車發動機曲軸用40CrNiMoA 鋼進行低倍酸蝕檢查時,發現其心部存在疑似裂紋 的缺陷。採用低倍酸蝕對比、化學成分分析、金相檢驗、磁粉檢測等方法分析了缺陷產生的原因。 結果表明:材料心部組織不緻密及心部存在的異常貝氏體組織導致其不耐腐蝕,在酸蝕過程中產生 了腐蝕坑,這些腐蝕坑串連在一起形成了「假裂紋」缺陷。對材料連鑄及軋鋼過程的工藝參數進行 優化後,其緻密度提高,心部貝氏體異常組織消失,心部酸蝕30min後無明顯腐蝕坑存在。

關鍵詞:40CrNiMoA 鋼;低倍缺陷;中心偏析;中心疏鬆;貝氏體;酸蝕

中圖分類號:TG115.2 文獻標誌碼:B 文章編號:1001-4012(2022)07-0056-06

40CrNiMoA 鋼屬於合金結構鋼,常用於製作高 強度、高韌性、截面尺寸較大的調質零件,如臥式鍛 造機的傳動偏心軸、鍛壓機曲軸、商用車發動機曲 軸、葉片、緊固件、齒輪等。此外,將其進行氮化處理 後,還能製成有特殊性能要求的零件。但由於該鋼 種合金含量高,過冷奧氏體穩定性強,因此在軋製冷 卻過程中易出現貝氏體、馬氏體等異常組織,同時由 於其合金含量高,材料規格較大,如果冶煉及軋制工 藝不合理,圓鋼易出現中心偏析、中心疏鬆等低倍缺 陷[1],降低了材料的緻密度,最終影響零件的使用。

某 汽 車 發 動 機 曲 軸 零 部 件 制 造 廠 在 用 40CrNiMoA鋼製作商用汽車曲軸時,將原材料下料 後進行低倍酸蝕入廠抽樣檢查,發現圓鋼材料中心存 在肉眼可見的「裂紋」缺陷,該曲軸零件製造加工的工 藝流程為:130mm(直徑)原材料→鋸切下料→原材 料入廠抽檢→鍛造→調質→機加工→曲軸磁粉檢測、 理化檢驗→合格品打包及裝箱入庫。為了分析原材 料低倍酸蝕後心部「裂紋」缺陷產生的原因,筆者通過 一系列理化檢驗方法對材料的缺陷進行了研究與分 析,並提出了相應的改進措施,以避免此類缺陷再次 產生。

1 理化檢驗

1.1 低倍檢驗

對材料進行低倍檢驗,發現材料心部有明顯肉 眼可見的「裂紋」缺陷存在,疑似存在過腐蝕。低倍酸蝕條件為:採用容積比為1∶1的鹽酸水溶液作為 腐蝕液,加熱溫度為80 ℃,侵蝕時間為60 min,材 料缺陷的宏觀形貌如圖1所示,顯微鏡下觀察到的 低倍缺陷形貌如圖2所示。由圖1,2可知:肉眼觀 察到的疑似「裂紋」缺陷區域是多個點狀的腐蝕坑連 續分布呈串狀所形成,並非真正的裂紋缺陷[2]。

1.2 化學成分分析

在低倍試樣上取樣,並用直讀光譜儀對試樣進 行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:試 樣的化學成 分 符 合 GB/T3077—2015 《合 金 結 構 鋼》中對40CrNiMoA 鋼的要求,磷、硫等有害偏析 殘餘元素含量小於標準要求,且心部成分無顯著偏 析,因此可以排除因化學成分控制不當或成分偏析 而產生的此類缺陷。

1.3 低倍酸蝕

對比 為進一步認識、分析缺陷,在低倍檢測缺陷試樣 的基礎上進行對比分析。將試樣用銑床重新銑削加 工後(銑削量2~3mm),進行3次低倍酸蝕試驗, 第 1 次 酸 蝕 時 間 為 10min,第 2 次 酸 蝕 時 間 為 20min(總酸 蝕 時 間 30min),第 3 次 酸 蝕 時 間 為 20min(總酸蝕時間50min),期間試樣未經再次打 磨加工,為連續酸蝕試驗。3次酸蝕後的缺陷形貌 如圖3~5所示,在體式顯微鏡下觀察到疑似裂紋低 倍缺陷,實為多個點狀的腐蝕坑連續分布呈串狀所形 成,且隨著酸蝕時間的延長,肉眼可見的疑似裂紋缺 陷形貌越來越明顯,顯微鏡下觀察到的腐蝕坑也越來 越嚴重。不同酸蝕條件下低倍缺陷評級結果的如表 2所示,發現隨酸蝕時間的延長,腐蝕程度增加,偏析 形貌會向疏鬆靠近,偏析點密集處會連接成偏析線, 並有疑似裂紋出現,因此中心偏析級別也提高了。

1.4 金相檢驗

將第3次酸蝕後的試樣沿低倍腐蝕坑縱向磨製 後進行觀察,發現腐蝕坑最深約為0.34mm,腐蝕坑 內未發現異常冶金缺陷(見圖6)。試樣經4%(體積 分數)硝酸酒精溶液侵蝕後進行金相檢驗,發現腐蝕 坑底部大多沿貝氏體呈條帶分布(見圖7),貝氏體 實際由粗大的鐵素體晶粒與碳化物顆粒組成,界面 及組織複雜,晶格內部應力變大,導致其內部整個系 統的能量變高,材料耐腐蝕性變差,且耐腐蝕性不均 勻[3]。再把腐蝕坑橫向磨製3次並進行觀察,發現 腐蝕面的腐蝕坑越來越少,直至消失,腐蝕坑邊緣未 見明顯脫碳現象(見圖8)。

金相檢驗結果表明:隨著打磨的進行,腐蝕坑被 逐步打磨掉,材料本身不存在缺陷,如果是材料本身 的心部裂紋、縮孔等缺陷,這些缺陷是很難變少或者 消失的,此外,該次檢驗也排除了材料過熱以及鋼中 存在夾渣、夾雜物等冶金缺陷。

1.5 磁粉檢測

將低倍試樣橫向打磨後進行磁粉檢測,結果表 明:試樣橫截面未見明顯缺陷存在,說明低倍酸蝕前 並不存在孔洞缺陷(見圖9)。因此,可以排除材料 在酸蝕前存在疑似裂紋缺陷。

2 綜合分析

通過分析上述理化檢驗結果可以認為,酸蝕缺 陷是由材料其心部存在貝氏體異常組織、中心低倍 偏析、疏鬆等,在酸蝕時不耐腐蝕造成的,並非真正 的裂紋缺陷。雖然排除了材料心部裂紋缺陷的存 在[4],但是卻證實了其心部組織不夠緻密並存在貝 氏體異常 組 織,這 些 缺 陷 同 樣 會 影 響 材 料 的 使 用 性能。

經過研究分析並查閱相關文獻[5],認為合金結 構鋼產生心部貝氏體的主要原因有:① 連鑄過程產 生的鑄坯中心偏析,且偏析元素在軋制加熱過程中 得不到擴散,這樣軋材心部的碳元素及合金元素含 量就會偏高,導致材料心部過冷,奧氏體組織穩定性 提高,在軋製冷卻過程中易於形成馬氏體、貝氏體異 常組織;② 終軋後材料心部往往因為散熱慢,容易 造成其心部溫度過高,在隨後的冷卻過程中會加快 心部的冷卻速率,當冷卻速率超過下臨界冷卻速率 時,過冷奧氏體組織在冷卻過程中將不發生珠光體 轉變,轉變溫度區發生恆溫轉變得到貝氏體組織,如 果冷卻速率進一步加快,過冷奧氏體組織將在 Ms (馬氏體轉變的起始溫度)以下發生相變,產生危害更大的馬氏體組織。

3 工藝優化改進措施

經過分析,雖然可以排除材料低倍缺陷為心部 裂紋缺陷,但是如果在後續的鍛造加工過程中不能 消除中心缺陷,同樣會影響到零件的最終使用性能, 為改善這一缺陷,需要提高材料心部的緻密度,減少 中心疏鬆,同時需要減少中心偏析,並防止心部非平 衡態組織出現。這就需要對連鑄工藝參數及軋制過 程工藝參數進行優化。

3.1 連鑄工藝參數優化

該材 料 生 產 的 鑄 坯 斷 面 尺 寸 為 300 mm × 325mm(長×寬),為改善材料心部的疏鬆及中心偏 析等缺陷,首先需要對連鑄過程中相關參數進行優 化,包括首末端電磁攪拌參數、連鑄拉速、二冷比水 量等,經過模擬計算並多次現場試驗得出了最優的 連鑄相關參數[6-7],連鑄工藝參數優化前後對比結果 如表3所示。

3.2 軋制工藝參數優化

為使材料軋後組織更為緻密,減少心部貝氏體 等異常組織,並減輕鑄坯帶來的心部缺陷,需要對軋 制工藝參數進行如下優化:提高加熱溫度,並保持一 定的高溫擴散加熱時間,使碳、磷、硫等易偏析元素 及其他合金元素等得以充分擴散,減輕材料的心部 偏析缺陷;同時適當增加高壓除鱗水壓力,創造軋制 過程中材料外冷心熱的條件,從而使軋制力能夠往 心部滲透,達到減輕材料心部疏鬆的目的;此外,還 需要降低圓鋼的終軋溫度,防止終軋時心部溫度過 高,在隨後的冷卻過程中,心部易出現貝氏體甚至馬 氏體異常組織[8],軋制工藝參數優化前後對比結果 如表4所示。

軋後在冷床上對圓鋼進行快速收集,並進坑緩冷, 要求進坑溫度大於500℃,緩冷48h後出坑,要求出坑 溫度不超過200℃,緩冷工藝同樣是防止材料在軋後 冷卻過程中出現貝氏體、馬氏體等異常組織[9]。

3.3 改進效果驗證

採用改進後的連鑄工藝及軋制工藝,重新組織 了40CrNiMoA 鋼的連鑄生產和軋制生產,工藝改 進前後圓鋼低倍酸蝕形貌對比如圖10及表5所示。 由對比結果可知,改進後,圓鋼低倍組織緻密,已經 無明顯肉眼可見的「裂紋」缺陷存在,中心疏鬆、偏析 情況明顯好轉。

取改進後材料的酸蝕低倍試樣 (腐蝕時間 為 30min)在顯微鏡下觀察其心部組織,並與改進前進 行對比,結果如圖11所示;同樣從酸蝕30min後的 低倍試樣上取樣並進行縱向磨製,分析改進前後心 部縱向微觀形貌,結果如圖12所示。由圖11,12可 知:改進後的心部試樣在顯微鏡下放大10倍觀察, 無明顯腐蝕坑存在,試樣經輕微磨製、拋光後,放大 觀察,仍然未發現有裂紋形貌的腐蝕坑存在;改進後 心部縱向組織已無貝氏體異常組織,而是珠光體 鐵素體組織,組織得到了改善,因此可以認為改進效 果是明顯的。

4 結論

(1)用 戶現場所取低倍試樣的化學成分符合GB/T3077—2015對 40CrNiMoA 鋼的標準要求, 表明不是成分原因導致的低倍缺陷。

(2)由於材料內部的貝氏體條帶組織及心部疏 松等缺陷不耐腐蝕,經過酸蝕後易形成腐蝕坑(或孔 洞),隨著腐蝕時間的延長,腐蝕坑的直徑越來越大, 最後呈串狀連在一起,呈現出近似於「裂紋」的形態 (假裂紋),並非真正意義上鋼材內部的裂紋缺陷。

(3)材料心部貝氏體等異常組織是由材料心部 偏析,材料軋制過程心部冷卻速率過快導致的。

(4)對連鑄工藝參數及軋制工藝參數進行了合 理優化,最終避免了材料在酸蝕過程中出現腐蝕坑, 材料的緻密度得以提高,心部異常組織得到了控制, 從而提升了材料的綜合使用性能。

參考文獻:

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