文／鲁辉·北京新光凯乐汽车冷成型件股份有限公司

在冷镦生产过程中会经常面临冷镦件开裂不良问题，为了从根本上找出开裂原因，本文从20MnB4 材质冷镦单法兰管件开裂不良零件入手，首先分析冷镦各工位件成形工艺，排除冷镦工艺导致零件开裂的可能性；其次对冷镦原材料CHQ 盘卷分析，其化学成分、机械拉伸性能指标、冷顶锻试验以及金相显微组织，逐项进行排除；并利用扫描电镜这一高科技手段分析冷镦钢表面开裂处形态、开裂处夹杂物成分组成，最终找出开裂原因。由试验分析得出，因20MnB4 材料裂纹处基体中存在大颗粒夹杂物Al2O3，破坏了钢材组织的连续性，降低冷镦材料塑性，造成冷镦过程零件沿着夹杂物缺陷形成开裂缺陷。

冷成形工艺是利用金属在外力作用下产生塑性变形，并借助于模具，使金属体积作重新分布及转移，从而形成所需要的零件形状的一种加工方法。冷成形工艺具有加工速度快、材料损耗低、生产成本低、产品表面粗糙度低(可达Ra6.3μm)、产品精度高等特点。我公司一直专注于各种钢制或者铝合金类冷镦零部件的生产，其产品主要应用于乘用车汽车底盘、安全带、转向等方面。由于对产品质量要求高，要求产品零缺陷，对冷成形用原材料CHQ 线材有更高要求，除要求较高的尺寸精度(h9)、圆度、较高的塑性、较低的硬度和良好的表面质量外，还要求原材料具有良好的内在质量，因此分析研究冷镦钢盘条夹杂物对开裂的影响具有重要意义。

20MnB4 材料生产工艺流程

我公司使用20MnB4盘条生产汽车用单法兰管件，其生产、加工工艺流程为：钢厂铁水预处理→转炉冶炼→LF ＋RH 双联精炼→大方(325mm×280mm)→开坯(160mm×160mm)→方坯检查(抛丸、探伤、修磨)→加热炉加热-控轧控冷→精整-检验→打包入库→盘卷酸洗→粗拉→球化处理→酸洗→精拉定径→线材矫直→原材料剪切→料块整形→6 工位成形→产品清洗→表面烘干→检测入库→包装发货。

研究方法

在使用20MnB4 盘条生产单法兰管件时发现，存在个别管件出现开裂的质量缺陷。影响冷镦钢冷镦开裂的原因较多，其机理主要是冷镦钢塑性降低、组织连续性和基体连续性受到破坏，具体的影响因素会以不同的方式影响到产品的冷镦性能，从而造成产品冷镦开裂。为此，对冷镦生产单法兰管件所使用的20MnB4 原材料以及生产工位件(共计6 工位)进行逐一分析，从而推断产生开裂的阶段。

影响冷镦钢线材质量的因素主要有化学成分、表面质量、力学拉伸性能、冷顶锻试验、显微组织结构和非金属夹杂物等几个方面。选择同一批次冷镦后开裂的零件和精制线材进行对比分析，对可能引起零件表面开裂的原因逐一分析研究。

化学成分分析

使用直读光谱仪对缺陷样品进行化学成分分析，测量结果见表1。缺陷样品化学成分实测值符合20MnB4技术标准要求，与历史生产批次无明显差异，因此化学成分对开裂的影响可以排除。

表1 化学成分表(wt%)

拉伸性能分析

为满足冷镦工艺要求，对冷镦所使用线材的抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等指标做了相关试验。取缺陷批次冷镦线材样棒，采用万能试验机对样棒进行拉伸性能分析，性能结果见表2。拉伸性能数据均符合该材料技术要求，与历史生产批次无明显差异，因此强度性能等因素对开裂的影响可以排除。

表2 拉伸性能结果

冷顶锻试验分析

对问题批次线材进行取样(直径φ26.5mm，高度53mm)，利用顶锻试验设备做1/3 顶锻试验，试验后目视检查表面无开裂现象(图1)，符合材料技术要求，由此可以得出冷镦开裂不是表面质量问题所致的结论。

原材料试样显微组织分析

截取原材料样段(图2)，直径φ26.5mm，高度15mm。试样经镶嵌→磨削→抛光后，再利用3%硝酸酒精腐蚀，最后用LEICA DMi8 金相显微镜观察试样。试样中心位置显微组织见图3(a)，试样R/2 处显微组织，见图3(b)。试样显微组织显示，组织为球化退火组织，球化级别达到5 级，符合冷镦钢原材料技术要求，原材料金相组织正常，排除了因为球化组织不良导致的开裂。

冷成形设备检查

对冷成形工序中6 个工位的模具和工位件进行准确尺寸测量，均符合图纸尺寸要求，且与之前的生产批次SPC 数据记录一致，可以排除冷成形生产过程对缺陷产生的影响。

缺陷件开裂原因分析

⑴金相分析。

取冷成形开裂零件，目视开裂位置在法兰上，见图4(a)。用体视显微镜观察零件杆部，发现开裂位置的杆部延长线上存在直线状微裂纹，见图4(b)。在杆部延长线截取横截面试样进行金相分析，试样经镶嵌→磨削→抛光后，用LEICA DMi8 金相显微镜观察试样，在试样的裂纹中发现存在大型夹杂物，夹杂物长度达到310μm，见图5(a)；用3%硝酸酒精对试样进行腐蚀，观察试样显微组织，显微组织是球化

退火组织，球化级别达到5 级，见图5(b)。⑵EDS 能谱分析。

用扫描电镜对开裂处的夹杂物进行EDS 能谱分析，EDS 能谱分析出夹杂物中含有Al、Mg、O、Ca、Si 等元素，是典型的内生夹杂物，见图6。

⑶夹杂物来源分析。

钢中的夹杂物包括内生夹杂物和外来夹杂物两部分，一般来说内生夹杂物是炼钢过程中的脱氧产物，夹杂物尺寸较小，在钙处理后形成高熔点小颗粒CaS和Mg-Al 尖晶石，一般很难形成上述大尺寸的夹杂物，但是此类夹杂物在上浮过程中发生聚集，未来得及去除时易形成大尺寸夹杂物。这类夹杂物一般的特征是外形不规则，尺寸比较大，分布也没有规律，对钢材的性能有致命的影响。

结论

⑴20MnB4 材料冷成形开裂零件样品法兰处，有目视可见的较大宏观裂纹，大裂纹在杆部延长线上有微观开裂。

⑵经过电镜扫描分析，夹杂物为炼钢过程中的内生夹杂物聚集而成，轧制后呈长条不规则形式存在于基体内。该类夹杂物会破坏材料组织的连续性和基体的连续性，降低冷镦钢的塑性指标。

⑶钢材中存在大型内生夹杂物的主要原因是炼钢精炼工序中夹杂物在上浮过程中发生聚集，未来得及去除。

⑷钢中夹杂物，对产品质量影响尤为关键，会破坏钢基体的连续性，在冷成形时极易形成裂纹源，热处理时易造成应力集中，产生淬火裂纹。

因此，炼钢生产过程中，对夹杂物要严格控制，可采取扩大中包容量、优化流场，使夹杂物在浇注过程中充分上浮去除。