摘要：42CrMo鋼經(jīng)輾環(huán)、調(diào)質(zhì)處理后有沿軋制方向擴(kuò)展的裂紋，最大寬度可達(dá)到90μm。采用金相顯微鏡、掃描電鏡(帶能譜儀)對(duì)裂紋附近組織進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在裂紋附近存在明顯的脫碳層且裂紋內(nèi)部有鐵氧化物，在鋼的基體內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量大尺寸夾雜物，主要有Al、Mg、Si、Ca、O等元素。由此確定裂紋是在輾制過程中產(chǎn)生的，由于夾雜物尺寸過大且形狀不規(guī)則，在鋼變形時(shí)夾雜物附近會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而導(dǎo)致開裂。原材料鋼水未經(jīng)二次精煉，潔凈度不足，不適合作為輾環(huán)原材料使用。

　　關(guān)鍵詞：42CrMo鋼;裂紋;夾雜物;鋼潔凈度;輾環(huán)

　　42CrMo鋼屬于高強(qiáng)度鋼，淬透性良好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的強(qiáng)度和良好的韌塑性，低溫沖擊韌性良好。目前，大直徑法蘭普遍采用輾環(huán)機(jī)軋制[1]。 某廠采購了一批準(zhǔn)80mm的42CrMo圓棒輾環(huán)軋制法蘭，該批次鋼材由供貨廠家經(jīng)轉(zhuǎn)爐工藝冶煉，鋼包內(nèi)合金化，調(diào)整化學(xué)成分，然后連鑄，未經(jīng)LF爐精煉和真空脫氣。

　　鋼材工業(yè)論文范例： 超高強(qiáng)度鋼材材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用

　　輾環(huán)、調(diào)質(zhì)處理(淬火加高溫回火)后進(jìn)行機(jī)加工，在機(jī)加工過程中發(fā)現(xiàn)法蘭表面沿軋制方向上出現(xiàn)裂紋，裂紋粗大且延展較深，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢不能使用，廢品率接近30%，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鍛造和熱處理的過程中，裂紋是常見的缺陷之一。鍛造裂紋常產(chǎn)生于組織粗大、應(yīng)力集中處或合金元素偏析處，裂紋內(nèi)部常充滿氧化鐵皮;熱處理裂紋的特點(diǎn)是剛健挺直，呈穿晶分布，起始點(diǎn)較寬，尾部細(xì)長曲折[2]。為了確定裂紋性質(zhì)及成因，在裂紋處取樣，進(jìn)行分析測(cè)試。

　　1試驗(yàn)材料及方法

　　1.1試驗(yàn)材料

　　在有缺陷的法蘭盤上切取3個(gè)試樣，觀察裂紋的宏觀形貌，可以看到裂紋方向與輾制方向一致。 采用直讀光譜分析法蘭試樣的化學(xué)成分。

　　1.2試樣制備及觀察

　　對(duì)有裂紋的表面進(jìn)行粗磨、細(xì)磨及拋光，再用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，將試樣待測(cè)面浸入約6s。采用金相顯微鏡觀察試樣裂紋附近的顯微組織，觀察拋光后未腐蝕過的試樣中的裂紋形貌，裂紋附近與鋼基體的夾雜物及分布。利用NovaNanoSEM450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋附近進(jìn)行形貌觀察，并對(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析，測(cè)定其化學(xué)成分。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　該裂紋出現(xiàn)在產(chǎn)品正面的弧形處，將試樣裂紋處拋磨、拋光之后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行初步觀察。裂紋粗大，沿軋制方向擴(kuò)展，最大寬度達(dá)到90μm，破裂情況嚴(yán)重。在裂紋附近的鋼基體上發(fā)現(xiàn)較多的夾雜物，顆粒尺寸較大。42CrMo鋼是典型的調(diào)質(zhì)鋼，法蘭的供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，組織是回火索氏體，這種組織不僅具有一定的強(qiáng)度，而且具有良好的韌性[3]。采用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行浸蝕，利用光學(xué)顯微鏡觀察裂紋。

　　可以可到基體表面組織基本為回火索氏體，較為均勻，在裂紋兩側(cè)邊緣發(fā)現(xiàn)有約50μm的脫碳層(顏色明顯較基體淺)，且裂紋附近脫碳層中存在粗大的鐵素體組織。將樣品試塊待檢面進(jìn)行磨制拋光，用Zeiss金相顯微鏡觀察裂紋處夾雜物情況，可以觀察到鋼基體中及裂紋附近都存在較多大顆粒的夾雜物。根據(jù)國標(biāo)GB/T10561-2005對(duì)鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)級(jí)，夾雜物類型主要為DS類，等級(jí)為2.0級(jí)(直徑38～53μm)，夾雜物級(jí)別超標(biāo)嚴(yán)重，在對(duì)產(chǎn)品后續(xù)加工過程中這些夾雜物會(huì)作為裂紋的萌生源，最終導(dǎo)致開裂。

　　用NovaNanoSEM450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及能譜對(duì)裂紋處進(jìn)行檢測(cè)�？梢钥吹搅鸭y內(nèi)部及兩側(cè)存在大量鐵的氧化物。掃描電鏡觀察還發(fā)現(xiàn)裂紋附近存在許多形狀不規(guī)則的夾雜物，最大尺寸可達(dá)到30μm，在夾雜物的周圍已經(jīng)出現(xiàn)微小的開裂。選取其中幾個(gè)夾雜物進(jìn)行EDS能譜分析。夾雜物中有Mg、Si、Ca、Al、O等元素，可以判斷為夾渣。不規(guī)則、硬而不可變形的夾雜物，其普遍被認(rèn)為對(duì)最終產(chǎn)品是有害的[4-6]。

　　3分析與討論

　　由以上檢測(cè)結(jié)果可知，在裂紋中和附近發(fā)現(xiàn)大量氧化鐵，并在裂紋兩側(cè)出現(xiàn)了脫碳層，可判定該裂紋為軋制裂紋，在軋制、熱處理時(shí)裂紋兩側(cè)被氧化。而淬火裂紋基本是在Ms點(diǎn)以下形成的，其周圍不會(huì)被氧化而出現(xiàn)脫碳層。在裂紋附近及鋼基體中發(fā)現(xiàn)大量大顆粒夾雜物，并觀測(cè)到有夾渣現(xiàn)象。在軋制過程中，鋼的基體會(huì)承受較大的變形，而有的夾雜物塑性差(B類、D類、DS類)不易變形，在大顆粒夾雜物處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致產(chǎn)品開裂。

　　夾渣形狀不規(guī)則，鋼鐵變形時(shí)應(yīng)力集中情況更為嚴(yán)重，帶來的開裂危險(xiǎn)更大，夾渣周圍已經(jīng)發(fā)生了微小的開裂現(xiàn)象。夾雜物一般是指通過加熱和冷卻等熱處理過程都不能消除的一種非金屬間化合物。成分和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常分為外來和內(nèi)生兩大類[7-8]。外來夾雜物一般是指由耐火材料或精煉渣帶入所形成的一種非金屬間化合物(夾渣)，而內(nèi)生夾雜物則是在液態(tài)金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)所生成的一種金屬間化合物。

　　由上述金相及掃描檢測(cè)可以判斷鋼中存在超標(biāo)的內(nèi)生夾雜和夾渣，鋼的潔凈度不理想。降低非金屬夾雜物對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響最重要的就是降低非金屬夾雜物在產(chǎn)品中的含量，在精煉過程中使用合理的精煉渣及通過氬氣攪拌鋼液可以對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行有效去除。在LF精煉時(shí)合理控制爐渣堿度，可以有效去除鋼液中的氧元素和硫元素，同時(shí)能有效吸收鋼液中上浮的非金屬夾雜物，以此凈化鋼液。在通過氬氣攪拌鋼液時(shí)會(huì)使非金屬夾雜物與鋼液分離，隨氬氣泡一同上浮到頂層，最終被爐渣所吸收。

　　再者由于攪拌過程會(huì)使鋼水形成細(xì)小漩渦，一些細(xì)小的夾雜物會(huì)相互碰撞結(jié)合成大顆粒夾雜，大顆粒夾雜上浮至頂層被爐渣吸收。由于采購的原材料在冶煉過程中并未進(jìn)行LF爐精煉及真空脫氣，在鋼液中還留有不少夾渣和脫氧產(chǎn)物(DS類)，在鋼錠中形成超標(biāo)的夾雜物。軋制過程中，夾雜物附近產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成裂紋源，最終致使裂紋產(chǎn)生。研究表明，夾雜物對(duì)鋼強(qiáng)度的影響與其尺寸密切相關(guān)，當(dāng)夾雜物顆粒比較大(>10μm)時(shí)，其會(huì)明顯降低鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[9]。建議對(duì)鋼進(jìn)行二次精煉以潔凈原材料。

　　4結(jié)論及建議

　　(1)法蘭裂紋粗大且沿軋制方向擴(kuò)展，裂紋附近有脫碳現(xiàn)象且發(fā)現(xiàn)有大量的鐵氧化合物，其為軋制裂紋。(2)鋼中DS類夾雜物等級(jí)達(dá)到2.0級(jí)，嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)在鋼中發(fā)現(xiàn)有夾渣現(xiàn)象，在軋制時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致開裂。(3)采用二次精煉技術(shù)可去除鋼水中的夾雜物，改善鋼的潔凈度，建議對(duì)鋼進(jìn)行二次精煉以潔凈原材料。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]賀凱林，金麗萍.42CrMo鋼法蘭開裂分析[J].熱處理，2017，32(1)：52-54.

　　[2]盛志敬，杜水明，何鑫，等.鍛造和熱處理過程中裂紋形成原因分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020(5)：109-110.

　　[3]張焱，尤顯卿，汪冬梅，等.40CrMo鋼大軸的斷裂失效分析[J].熱加工工藝，2007，36(24)：76-78.

　　[4]JiangM，WangXH，ChenB.FormationofMgO·Al2O3inclusionsinhighstrengthalloyedstructuralsteelrefinedbyCaO-SiO2-Al2O3-MgOslag[J].ISIJInternational，2008，48(7)：885-890.

　　[5]ParkJH，TodorokiH.ControlofMgO·Al2O3spinelinclusionsinstainlesssteels[J].ISIJInternational，2010，50(10)：1333-1346.

　　作者：王亞楠,李亞波,李忠華,趙文濤