40CrAH圆钢轧材表面裂纹分析

2021-05-17孙远伟尹衍成

山东冶金 2021年2期

孙远伟，尹衍成

（中信泰富特钢研究院青钢分院，山东青岛266000）

1 前言

在机械制造行业中，40Cr是应用非常广泛的材料，经过调质后的40Cr 钢，其力学性能、低缺口敏感性和低温冲击性均得到改善，并且其冷镦工艺不仅能够减少原材料的使用，还能降低机械加工的成本。作为高级优质合金结构钢，40CrAH 钢被广泛地应用于重型汽车连杆的加工制造中。我国重型汽车制造产业发展迅速，40CrAH 钢已成为重型汽车连杆用钢的主要品种，市场对其需求不断增长。某钢铁厂在生产40CrAH 圆钢时，出现批量表面裂纹缺陷。

本文对40CrAH圆钢表面产生的裂纹进行了相关的分析，找出了表面裂纹产生的原因，并提出了相关的建议。

2 试验分析及结果

2.1 试样外观

如图1所示，40CrAH钢表面裂纹沿纵向延伸。

图1 40CrAH钢材表面缺陷

2.2 低倍试验

取40CrAH 钢材低倍试样，进行宏观观察，40CrAH低倍组织正常，裂纹位于外弧（低倍试样的最上方）。

2.3 高倍试验

在低倍试样裂纹处取金相试样，经研磨、抛光、4%硝酸酒精浸蚀后，置于光学显微镜下观察。如图2 a所示，40CrAH钢裂纹两侧发生脱碳；如图2 b所示，裂纹内有细小颗粒夹杂物。

图2 裂纹处金相显微组织100×

2.4 扫描电镜分析

将金相试样置于扫描电镜下，观察其裂纹情况及非金属夹杂物情况。图3 为裂纹两侧基体的能谱图，铁素体能谱图，这表明40CrAH钢裂纹两侧发生脱碳现象；图4 为裂纹内细小颗粒的能谱图，为硅酸盐能谱图，这表明40CrAH 钢裂纹内存在小颗粒非金属夹杂物。

图3 裂纹两侧基体能谱图

图4 裂纹内小颗粒夹杂物能谱图

3 分析与讨论

该批40CrAH钢经剥皮后钢材试样的表面缺陷为纵向裂纹，裂纹两侧为铁素体和少量珠光体，有脱碳现象。缺陷区域存在大量小颗粒非金属氧化夹杂物，是轧制裂纹源。这类残留夹杂物是连铸坯缺陷产生的。

3.1 裂纹显微形貌特征

40CrAH 钢经剥皮后钢材试样的表面缺陷较深，垂直于钢材表面，其深度在300～1 200 μm，大多位于连铸坯表面的激冷层中，且周围脱碳现象明显。在进行轧制之前，钢材处于高温的环境中，脱碳正是在高温氧化的过程中产生的，由此可以推断，表面裂纹在轧制之前就已产生，是由连铸坯的已存裂纹传承下来的。

3.2 裂纹与外来非金属夹杂物

通过试验观察得知，40CrAH 钢经剥皮后钢材试样的表面主裂纹旁边存在细小分支裂纹，在主裂纹的末端，可能有外来夹杂物。由能谱结果得知，细小颗粒中SiO2的含量较高，并且检测到Na、K 等特征元素，这与保护渣的特征十分相似。表面裂纹周围存在的细小颗粒，使得40CrAH 钢基体的连续性遭到了破坏，因此，另有原因使钢材在轧制过程中裂纹不断延伸和扩大。

3.3 铸坯纵裂的成因

该批连铸坯为冷装，冷却可导致铸坯表面组织异常，连铸冷却产生的组织和应力不均匀。钢材的组织不同，导热性也不同。在连铸二冷区，钢材的表面的冷却强度降低，然而其他部位的冷却强度依然较高，冷却强度高的部位产生的收缩较大，相对于冷却强度低的表面，则会产生拉应力，从而导致粘有黏渣部位的铸坯处产生纵裂纹。另外，保护渣黏度不够，分布不均匀，同时又被铁皮覆盖，因此形成的裂纹较小，不易被发现。

40CrAH 圆钢在进行轧制时，由于使用了存有裂纹的连铸坯，从而产生了表面裂纹。铸坯表面无粘渣，因为连铸坯冷却与加热产生的组织与热应力存在于铸坯表层内，破坏钢材基体的连续性，并使钢材在轧制过程中裂纹不断延伸和扩大。铸坯表面存有裂纹时，此裂纹在轧钢过程中也可不断延伸和扩大。