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钢材的原料疏松和偏析造成裂纹失效

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我公司用从某厂采购的连铸坯料生产了一批42CrMo尾端件,调质后大部分尾端件在端部出现了环状裂纹,针对此情况我们将尾端件解剖进行综合分析,分析其产生的原因,提出改进措施。


1. 低倍分析
用材质为42CrMo的连铸坯生产的尾端件,在调质后端部出现了环状裂纹,在连铸坯余料、锻造余料、调质后的尾端件端部各取一块试片进行低倍检验,低倍照片如图1所示。从低倍结果可以看出,三个不同阶段均存在明显的疏松和偏析,连铸坯的缺陷比较严重,经锻造后改善不大,调质后环形裂纹出现的位置与偏析部位重合,由此可以看出,淬火裂纹产生的原因是由于原材料中存在的偏析缺陷造成的。淬火过程中组织转变时,由于偏析而产生不同的组织转变或转变时间不同,不同组织的膨胀系数不同而产生组织内应力,因此导致在偏析严重处产生淬火裂纹。

图1  坯料低倍酸洗后照片


2. 化学成分分析
表1、表2分别为连铸坯和调质后成品的化学成分结果,在连铸坯和成品工件中,C含量差别较大,偏析严重,C元素在工件内不均匀分布,也增加了淬火热裂纹产生的可能。

表1  连铸坯化学成分(质量分数)  (%)

表2  锻坯调质后成品化学成分(质量分数)  (%)


3. 金相检验
在锻坯调质后的低倍试片上表面、1/2R、心部三个位置取样进行金相检验,金相图片如图2~图4所示,工件从表面到中心硫化物均非常严重,表面和1/2R处组织均为贝氏体和回火索氏体,心部为粗大贝氏体,说明裂纹并非由于组织不同而产生组织应力导致裂纹产生,大量硫化物的存在可能成为淬火裂纹产生时的裂纹源,从而导致淬火裂纹的产生。

图2  锻坯表面硫化物夹杂及显微组织


图3  锻坯1/2R处硫化物夹杂及显微组织


图4  锻坯心部硫化物夹杂及显微组织


4. 结语
(1)表面、1/2R和心部成分偏差较大,尤其是碳的偏析,1/2R处复验C含量超出了标准要求的0.45%上限。

(2)裂纹产生的主要原因为原材料缺陷:疏松、偏析和夹杂物等,后续锻造过程对其改善不明显;裂纹产生的诱发原因为淬火冷却,在淬火冷却的过程中,由于C含量不均和其他偏析所造成的组织转变量和转变时间的不同而产生了极大的组织内应力,从而导致淬火裂纹。

(3)外表面和1/2R处的组织为贝氏体+回火索氏体,心部主要为粗大的贝氏体。心部粗大的贝氏体是由于工件心部冶金杂质较多而导致的组织形态不同。

(4)建议在以后的生产中,需对原材料进行严格控制,降低原料中的冶金缺陷,加强原料的成分和低倍检验,锻造后增加成分、金相和低倍的检验;在热处理过程中,需谨慎选择淬火工艺和冷却介质,降低产生淬火裂纹的风险。

(5)建议通过控制连铸机设备精度,降低二次冷却强度、中间包钢液浇注温度和拉速,提高结晶器电磁搅拌强度,优化42CrMo化学成分控制范围,可以有效地改善连铸坯的质量。

(6)建议通过大锻比锻造的方式改善连铸坯的内部质量,在圆坯料拔长时,先打四方后再打八方,最后滚圆,每次压下量要大于20%,从而将内部缺陷锻合或缩小。

作者:胡志光,王刚

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