20MnCr5齿轮钢裂纹缺陷分析

本钢特钢厂生产的出口20MnCr5齿轮用钢在轧制成圆钢时出现了严重的表面纵向裂纹，文章分析了纵向裂纹缺陷的形态以及成因：前期高温装炉只是产生纵裂的诱因，连铸坯上存在成分偏析带是造成钢材纵裂的根本原因，后续轧制促进纵裂形成和扩展。根据造成裂纹的原因采取针对性的措施，保证齿轮钢20MnCr5的高效稳定生产，所做分析具有一定的推广应用价值。随着我国汽车工业的发展，国内许多汽车齿轮生产线分别从德、日、美、意、法等国引进了齿轮用钢。现在我国特钢企业已能批量生产的新型齿轮钢有Cr-Mo、Mn-Cr、Mn-Cr-B、Cr-Ni-Mn、CrNi-Mo系列[1-3]。20MnCr5是常用的齿轮用钢，本钢特钢厂在生产出口印度的20MnCr5钢材时，在轧制成圆钢后间断性地出现严重的表面纵向裂纹，其中ф140~210mm覆盖规格较多。通过光学显微镜对裂纹处金相组织进行观察，分析裂纹形成的原因，并结合生产工序进一步查找裂纹形成的原因，为现场处理该缺陷提供指导。生产工艺流程铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼(LF+RH)→连铸→热送→加热→轧制→缓冷→修磨→检验→包装缴库→发货。宏观形貌裂纹形态见图1，裂纹沿着钢材纵向分布，长裂为6m，短的为0.5~2m，在钢材横断面上纵向裂纹的开口宽度为1~5mm，深度为8~12mm。化学成分对纵向裂纹严重的钢材取样进行化学成分分析，如表1所示，化学成分与熔炼成分相吻合、无异常，符合标准要求。金相组织检验从纵向裂纹比较严重的钢材上取样进行高倍分析，将取下的试样磨平、抛光后用体积分数为4%的硝酸酒精溶液浸蚀，通过光学显微镜对试样的表面和心部进行金相组织检验，具体显微组织如图2和图3所示。检验结果表明：齿轮钢20MnCr5热轧后组织为铁素体+珠光体，表面与心部的组织形貌以及晶粒尺寸差距不大，无明显的带状组织。◆金相组织分析为了研究裂纹形成原因，在圆棒的裂纹部位取样，利用光学显微镜对裂纹部位的显微组织形貌进行分析，以便于寻找产生裂纹的工序。具体的显微组织如图4所示。◆裂纹形态分析图4为裂纹末端形态放大图，靠近裂纹处的铁素体晶界被氧化并形成了微裂纹。对比裂纹两侧的金相组织，一部分组织细小，另一部分组织粗大，不能重合在一起，可以判定出裂纹在相变前(轧制前)已经产生，在随后的轧制过程中独立发生相变，造成裂纹两侧组织差异较大。裂纹下基体组织存在连续的组织流变，即裂纹产生以后依然有形变过程，由此可以推断，裂纹是源自铸坯缺陷。图5和图6是在试样未开裂处的显微组织，可以很明显看到细微裂纹，钢材上存在条带铁素体，并在此组织内部存在大量的缝隙，出现裂纹，该裂纹在加热过程中延伸扩展，是由内部向外开裂。◆夹杂物分析图4裂纹的末端未发现夹杂物，初步判断该裂纹的形成不是由夹杂物所引起的。◆脱碳检验通过图4可以看出，裂纹的两侧出现贫碳区，平均脱碳层可以达到0.6mm，严重的可以达到1.1mm，没有过热过烧现象，严重区域出现铁素体偏析带，钢材边部脱碳层不足0.3mm，进一步证实裂纹在轧制前就已经形成。为了证实裂纹形态，又从其他带有纵向裂纹的钢材上取样进行高倍检验，裂纹形态、裂纹两侧脱碳区等均与上述情况一致。分析讨论该钢种为冷坯装炉，由于是低碳钢因此并没有对加热炉预热段温度进行控制要求，按照加热工艺Ⅰ组，加热温度为(1200±20)℃，加热和保温时间为4h，出炉温度1170~1190℃，各项记录显示加热及轧制制度均符合操作规程。由于加热炉预热段温度不限定，入炉温度受加热2段温度影响，一般会在800~900℃。钢坯在高温装炉、快速加热的情况下，连铸坯内外因产生较大的温差而形成较大的热应力。同时，迅速发生组织转变而产生较强的组织应力。由此判断导致纵裂的原因可能是连铸坯在炉温高达900℃时直接装炉导致连铸坯内外产生较大的应力，特别是连铸坯表面处在拉应力状态时就会造成钢材纵裂。从高倍检验可知，钢材内部存在偏析带——铁素体偏析带，连铸坯上对应存在成分偏析带——贫碳区。高温装炉、快速加热使连铸坯表面产生较大的拉应力，当偏析带接近表面或者是暴露在表面，连铸坯表面拉应力使连铸坯在偏析带外产生微裂纹，并且在夹杂物处形成应力集中。在高温加热时，偏析带内铁素体晶界被氧化，已经形成的微裂纹得以连接并沿偏析带扩展，从而导致钢材纵裂。结束语高温装炉只是产生纵裂的诱因，后续轧制时