摘要：42CrMo鋼經輾環、調質處理后有沿軋制方向擴展的裂紋，最大寬度可達到90μm。采用金相顯微鏡、掃描電鏡(帶能譜儀)對裂紋附近組織進行檢測，發現在裂紋附近存在明顯的脫碳層且裂紋內部有鐵氧化物，在鋼的基體內發現大量大尺寸夾雜物，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生的，由于夾雜物尺寸過大且形狀不規則，在鋼變形時夾雜物附近會產生嚴重的應力集中，而導致開裂。原材料鋼水未經二次精煉，潔凈度不足，不適合作為輾環原材料使用。

　　關鍵詞：42CrMo鋼;裂紋;夾雜物;鋼潔凈度;輾環

　　42CrMo鋼屬于高強度鋼，淬透性良好，無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的強度和良好的韌塑性，低溫沖擊韌性良好。目前，大直徑法蘭普遍采用輾環機軋制[1]。 某廠采購了一批準80mm的42CrMo圓棒輾環軋制法蘭，該批次鋼材由供貨廠家經轉爐工藝冶煉，鋼包內合金化，調整化學成分，然后連鑄，未經LF爐精煉和真空脫氣。

　　鋼材工業論文范例： 超高強度鋼材材料在實際工程中的應用

　　輾環、調質處理(淬火加高溫回火)后進行機加工，在機加工過程中發現法蘭表面沿軋制方向上出現裂紋，裂紋粗大且延展較深，導致產品報廢不能使用，廢品率接近30%，造成較大的經濟損失。在對產品進行鍛造和熱處理的過程中，裂紋是常見的缺陷之一。鍛造裂紋常產生于組織粗大、應力集中處或合金元素偏析處，裂紋內部常充滿氧化鐵皮;熱處理裂紋的特點是剛健挺直，呈穿晶分布，起始點較寬，尾部細長曲折[2]。為了確定裂紋性質及成因，在裂紋處取樣，進行分析測試。

　　1試驗材料及方法

　　1.1試驗材料

　　在有缺陷的法蘭盤上切取3個試樣，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成分。

　　1.2試樣制備及觀察

　　對有裂紋的表面進行粗磨、細磨及拋光，再用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，將試樣待測面浸入約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場發射掃描電子顯微鏡對裂紋附近進行形貌觀察，并對夾雜物進行能譜分析，測定其化學成分。

　　2試驗結果及分析

　　該裂紋出現在產品正面的弧形處，將試樣裂紋處拋磨、拋光之后在光學顯微鏡下進行初步觀察。裂紋粗大，沿軋制方向擴展，最大寬度達到90μm，破裂情況嚴重。在裂紋附近的鋼基體上發現較多的夾雜物，顆粒尺寸較大。42CrMo鋼是典型的調質鋼，法蘭的供貨狀態為調質處理，組織是回火索氏體，這種組織不僅具有一定的強度，而且具有良好的韌性[3]。采用4%的硝酸酒精溶液對試樣進行浸蝕，利用光學顯微鏡觀察裂紋。

　　可以可到基體表面組織基本為回火索氏體，較為均勻，在裂紋兩側邊緣發現有約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。根據國標GB/T10561-2005對鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖進行評級，夾雜物類型主要為DS類，等級為2.0級(直徑38～53μm)，夾雜物級別超標嚴重，在對產品后續加工過程中這些夾雜物會作為裂紋的萌生源，最終導致開裂。

　　用NovaNanoSEM450場發射掃描電子顯微鏡及能譜對裂紋處進行檢測。可以看到裂紋內部及兩側存在大量鐵的氧化物。掃描電鏡觀察還發現裂紋附近存在許多形狀不規則的夾雜物，最大尺寸可達到30μm，在夾雜物的周圍已經出現微小的開裂。選取其中幾個夾雜物進行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。不規則、硬而不可變形的夾雜物，其普遍被認為對最終產品是有害的[4-6]。

　　3分析與討論

　　由以上檢測結果可知，在裂紋中和附近發現大量氧化鐵，并在裂紋兩側出現了脫碳層，可判定該裂紋為軋制裂紋，在軋制、熱處理時裂紋兩側被氧化。而淬火裂紋基本是在Ms點以下形成的，其周圍不會被氧化而出現脫碳層。在裂紋附近及鋼基體中發現大量大顆粒夾雜物，并觀測到有夾渣現象。在軋制過程中，鋼的基體會承受較大的變形，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產生嚴重的應力集中，從而導致產品開裂。

　　夾渣形狀不規則，鋼鐵變形時應力集中情況更為嚴重，帶來的開裂危險更大，夾渣周圍已經發生了微小的開裂現象。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。成分和結構較為復雜，通常分為外來和內生兩大類[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)，而內生夾雜物則是在液態金屬發生化學反應時所生成的一種金屬間化合物。

　　由上述金相及掃描檢測可以判斷鋼中存在超標的內生夾雜和夾渣，鋼的潔凈度不理想。降低非金屬夾雜物對產品質量影響最重要的就是降低非金屬夾雜物在產品中的含量，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非金屬夾雜物進行有效去除。在LF精煉時合理控制爐渣堿度，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會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使鋼水形成細小漩渦，一些細小的夾雜物會相互碰撞結合成大顆粒夾雜，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物(DS類)，在鋼錠中形成超標的夾雜物。軋制過程中，夾雜物附近產生嚴重的應力集中，形成裂紋源，最終致使裂紋產生。研究表明，夾雜物對鋼強度的影響與其尺寸密切相關，當夾雜物顆粒比較大(>10μm)時，其會明顯降低鋼的屈服強度和抗拉強度[9]。建議對鋼進行二次精煉以潔凈原材料。

　　4結論及建議

　　(1)法蘭裂紋粗大且沿軋制方向擴展，裂紋附近有脫碳現象且發現有大量的鐵氧化合物，其為軋制裂紋。(2)鋼中DS類夾雜物等級達到2.0級，嚴重超標，同時在鋼中發現有夾渣現象，在軋制時會產生嚴重的應力集中，最終導致開裂。(3)采用二次精煉技術可去除鋼水中的夾雜物，改善鋼的潔凈度，建議對鋼進行二次精煉以潔凈原材料。

　　參考文獻：

　　[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].內燃機與配件，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