42CrMo鍛件開裂原因分析與對策

王冠杰

(中煤北京煤礦機械有限責(zé)任公司，北京 140429)

1 典型質(zhì)量事故分析

42CrMo鍛件按圖1所示的工藝進行熱處理后，轉(zhuǎn)到冷加工車間進行切削加工時發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖2所示。

圖1 42CrMo鍛件熱處理工藝ⅠFig.1 Heat treatment processⅠof 42CrMo forging

圖2 42CrMo鍛件開裂Fig.2 Cracking of 42CrMo forging

42CrMo鍛件按圖3所示的熱處理工藝進行熱處理，淬火之中發(fā)現(xiàn)開裂并在較小外力作用下裂紋擴展至擴開剝落，如圖4所示。

圖3 42CrMo鍛件熱處理工藝ⅡFig.3 Heat treatment processⅡof 42CrMo forging

圖4 42CrM鋼淬火開裂Fig.4 Quenching cracking of 42CrMo steel

對上述質(zhì)量事故分析認為:

1)對42CrMo鋼原材料及鍛造后鍛件進行檢查，質(zhì)量符合技術(shù)說明，排除原材料及鍛造工藝原因。

2)熱處理工藝是42CrMo鋼制作零部件的常規(guī)調(diào)質(zhì)工藝，也是規(guī)范性地推薦被行業(yè)所認可的工藝。

3)采用的箱式電阻爐密封性差，爐內(nèi)各區(qū)域溫度差大，所以溫度的均勻性差。工件被加熱時，由于放置的位置不同，盡管是在同一工件也會出現(xiàn)較大溫差。

4)由于條件的限制，工件出爐淬火采用鉤子把工件從爐中鉤入筐中，是無規(guī)則堆放在一起放入淬火槽中進行冷卻淬火。由于工件與工件之間，甚至同一工件的各部位冷卻嚴重不均勻，整個工件或不同工件最終組織轉(zhuǎn)變先后不一致，常常形成混合組織;工件的裂紋形態(tài)是橫向裂紋和弧形裂紋都是內(nèi)裂。裂紋產(chǎn)生于心部，當(dāng)條件成熟逐漸擴展到表面，形成這類裂紋的內(nèi)應(yīng)力，特征都是工件表面受壓應(yīng)力，離表面一定距離處應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，這類裂紋多數(shù)發(fā)生在未淬透的工件上，在淬硬與未淬硬的交界處形成應(yīng)力峰值，裂紋就起源于那里。當(dāng)應(yīng)力大于裂紋擴展的臨界應(yīng)力時突然發(fā)展為宏觀的脆裂(斷)。由于工件的棱角比較銳利，截面突變，薄厚差異太大，更易出現(xiàn)這類裂紋。往往被人們忽視的另外一種原因是淬火鋼上的軟點和未淬硬部位，軟點和未淬硬部位的周圍必然存在著一個淬硬過渡區(qū)，該區(qū)就存在拉應(yīng)力，也是產(chǎn)生這類裂紋的原因。

2 影響鍛件調(diào)質(zhì)處理質(zhì)量的主要因素

2.1 成分偏析

中碳合金結(jié)構(gòu)鋼的原材料常存在帶狀偏析。當(dāng)經(jīng)過熱壓力加工(鍛、軋)后，仍保留有成分偏析，經(jīng)860℃淬火后將出現(xiàn)B上+M混合組織，而B上的沖擊韌性是很差的，這種偏析可從退火組織中看到。

從表1中可看到鐵素體帶中的Mo含量比珠光體帶中Mo含量高5～6倍，偏析條紋內(nèi)某些元素的富集十分嚴重。鋼的淬火裂紋發(fā)生幾率一般來說是鋼材含碳量越高或Cr、Mo含量越高越容易發(fā)生裂紋，這是因為相變膨脹。

表1 42CrMo帶狀成分偏析能譜分析(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Spectrum analysis of banded segregation in 42CrMo steel(ω，%)

2.2 氣體和夾雜物

42CrMo鋼尤其是較大截面的原材中不可避免含有氣體和夾雜物，只是程度上的差別。當(dāng)脫氫效果40% ～65%，脫氧效果30% ～60%時，夾雜物去除率為27%～70%。在這樣的情況下，仍對隨后的調(diào)質(zhì)熱處理有很大的影響，特別是對中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，由于碳和合金元素的偏析，即使殘余含氫量在1.5～2.0 ppm，也可能導(dǎo)致鍛件在偏析處產(chǎn)生發(fā)裂。

目前國內(nèi)絕大多數(shù)都認為鋼中含有鋁元素可細化晶粒，而對有害影響幾乎沒有任何詳細的研究。國外對鋁元素在鋼中有害影響近年來研究得很多，酸性鋼中鋁含量＞0.005%時，鋁在脫氧時形成了具有銳角的氧化物，會大大降低這種鋼的塑性;堿性鋼中鋁含量＞0.1%時，鋁在鋼中形成了沿晶界分布的氮化鋁能使鋼的室溫塑性降低。

2.3 鍛造

2.3.1 溫度

由于42CrMo鋼內(nèi)部有偏析，當(dāng)42CrMo鋼在氧化性氣氛中加熱接近固相線，如42CrMo始鍛溫度在1200～1220℃，在此高溫持續(xù)時間過長就容易產(chǎn)生析出物或雜質(zhì)等，偏析的晶界因熔點低就有可能開始熔化，氧通過熔化了的晶界侵入并在晶界上形成氧化物，這樣會產(chǎn)生局部過燒，形成隨后熱加工中的重大缺陷之一(從進廠的鍛件上往往可明顯的看到這種過燒的缺陷)。尤其是含Cr和Mo元素的四元鋼，即使表面不出現(xiàn)異常過燒，在內(nèi)部也可能存在過燒缺陷，因此只做外觀檢查是不夠的，如果條件允許最好配合進行超聲探傷檢查。所以合理選定加熱溫度和保溫時間是很關(guān)鍵的。

2.3.2 鍛造比

當(dāng)鍛造比不足，工件中心變形小，偏析和鋼錠原鑄態(tài)組織仍局部保留，常見的就是鋼材的偏析、疏松、微孔等缺陷，粗晶也是最常見的缺陷;鍛比過大，機械性能異向性增大，橫向機械性能降低較多。

2.4 熱處理爐的性能

箱式爐因密封性能差，所以造成爐溫均勻性差，爐內(nèi)各區(qū)的溫度與爐頂熱電偶指示的溫度都有一定的差異。隨著保溫時間的延長并不能完全改善上述的情況，這樣同一爐的工件因在爐內(nèi)各處的位置不同，工件與工件甚至同一工件的表面，到溫時各位置間可能達到不同的溫度。大截面工件還存在表層與心部的溫差，造成工件的晶粒粗細不均勻，尤其是合金元素及碳在奧氏體中分布的不均勻性。

3 主要工藝問題分析及對策

3.1 調(diào)質(zhì)工藝

目前車間使用的42CrMo鋼工件的調(diào)質(zhì)工藝如圖5所示。

圖5 42CrMo工件調(diào)質(zhì)工藝Fig.5 Hardening and tempering process of 42CrMo work piece

這個工藝是在不知原材料成分偏析的程度和鍛件質(zhì)量的情況下，只能從有利于碳和合金元素的溶解及奧氏體成分均勻化來推薦規(guī)范性的淬火溫度。在操作中發(fā)現(xiàn)某些有組織缺陷的工件加熱到上限溫度860℃比下限溫度840℃淬火的開裂傾向更大。大截面零件與同樣幾何形狀的零件淬火后所得組織不同，其應(yīng)力狀態(tài)分布也不一樣。淬火溫度對開裂傾向的影響是相當(dāng)大的，為此同樣一種鋼材制作的零件，在不同的條件下應(yīng)靈活地確定合理的淬火溫度，在某些特殊情況下可把奧氏體化溫度和淬火溫度分別制定操作工藝是比較合理的。

3.2 淬火冷卻方法

淬火冷卻方法包括采用的冷卻介質(zhì)的種類、冷卻的時間、表面終冷溫度，這是鍛件調(diào)質(zhì)熱處理中非常重要并且較難掌握的工藝問題。

1)碳和合金元素的偏析導(dǎo)致鍛件的不同區(qū)域冷卻速度不同，從而導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變溫度不同，因此，在確定鍛件終冷溫度時，必須考慮成分偏析。如果要控制表面終冷溫度應(yīng)采用限時淬火，當(dāng)冷卻到接近淬裂危險溫度時，把工件從淬火介質(zhì)中取出緩冷，防止部分區(qū)域的超前轉(zhuǎn)變。

2)淬火效果決定于冷卻介質(zhì)中冷卻的方式和表面終冷溫度。我廠目前使用的冷卻介質(zhì)是一種聚合物淬火介質(zhì)，屬于PAG類，其冷卻速度范圍寬，濃度易控制，維護較方便。操作方法是用鐵鉤把工件勾入筐內(nèi)，工件是雜亂地堆擠在一起，用吊車把筐吊入淬火槽中，并用吊車上下升降運動和行走來回平移運動來替代攪拌，如圖6所示。

圖6 工件在淬火槽中的運動方向Fig.6 The movement direction of work piece in quenching tank

這種冷卻方式對工件表面和一定截面冷卻速度有很大影響，除了鍛件本身存在成分偏析而引起馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的不同，又由于各工件甚至同一工件各部分冷速不同，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變前后不同;再加之同一工件因冷卻速度不同造成局部區(qū)域的非馬氏體相變，這樣就產(chǎn)生了沿截面的組織比容差，如表2所示。

在以上主要因素造成的三種應(yīng)力疊加下極易產(chǎn)生工件開裂。

表面終冷溫度也是工件開裂的極重要因素之一，實踐證明淬火裂紋均發(fā)生在冷卻后期的低溫階段，因為這時工件無塑性，應(yīng)力不能因塑性變形所松馳。對于某些大截面工件由于擔(dān)心淬不透，在冷卻介質(zhì)中冷卻時間過長，這種做法無疑是易產(chǎn)生開裂。實踐證明冷卻介質(zhì)冷卻能力的強弱，對一定截面(大截面)工件的表面冷卻速度有很大影響，但對心部的冷卻速度，在不同的溫度區(qū)域影響不同。不過在不同冷卻介質(zhì)中大截面工件心部的冷卻速度都相當(dāng)緩慢，因此要使大截面工件心部產(chǎn)生一定的降溫，主要取決于冷卻時間，而不是冷卻介質(zhì)。因鋼的化學(xué)成分是一定的，采用最強烈的冷卻介質(zhì)，在一定截面深度內(nèi)也難保持奧氏體的穩(wěn)定性而不析出鐵素體和不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。也就是降低終冷溫度，也不能提高工件的綜合機械性能，反而增加淬裂的傾向，一般終溫不宜控制在250℃以下冷卻時間也不宜過長。

表2 鋼的各種組織的比容Table 2 The specific volume of various structure of steel

3.3 回火問題

對于大截面的工件最好在300～350℃回火保溫1 h左右，目的是使表面層終冷溫度略有升高，心部溫度繼續(xù)降溫，使不同截面處溫度均勻，消除部分殘余應(yīng)力;同時表面形成的M(馬氏體)在低溫階段得到回火消除部分應(yīng)力，不致于心部繼續(xù)轉(zhuǎn)變，而引起開裂。

4 整體加熱淬火工藝的探討與對策

對鍛件進行整體加熱淬火，會導(dǎo)致工件開裂而報廢，原因是:1)由于鍛件是外協(xié)件，鍛件的組織及缺陷不能控制;2)設(shè)備落后;3)操作條件差，一時無法改變;4)冷卻設(shè)備差。

經(jīng)過反復(fù)的驗證，對某些易開裂的工件采用分段加熱亞溫淬火工藝，其原理是在大截面工件加熱過程中將出現(xiàn)兩個溫差高峰。第一個最大溫度差出現(xiàn)在600℃以下，這時心部溫度約350～500℃，即工件仍處于彈性狀態(tài);這種由溫度差產(chǎn)生的應(yīng)力極有可能在零件心部形成裂紋或使原有顯微裂紋擴大，所以必須慎重對待這個最大溫差和加熱速度。第二個溫差發(fā)生在800℃以下，心部溫度已達到600℃以上，此時材料已進入塑性狀態(tài)，材料的塑性變形將大大削弱因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，故此時發(fā)生開裂、變形傾向很小。因此，第一個最大溫差才是最危險的，應(yīng)該在600℃以下控制加熱速度，并在600～650℃保溫。在600～650℃加熱時，由于金屬的導(dǎo)熱性好，產(chǎn)生溫差的時間短，同時工件處在塑性階段，此時保溫可充分消除三類內(nèi)應(yīng)力;在隨后升溫加熱時可使整個工件內(nèi)應(yīng)力減小到一個較小的程度，是避免淬火后應(yīng)力疊加、工件開裂的有效手段之一。

最終加熱溫度確定為780～800℃，該溫度在42CrMo鋼的兩相區(qū)(Ac1≈730℃ Ac3≈780℃)。目的是為了清除常規(guī)淬火后的上貝氏體，獲得強韌性配合較好的細板條馬氏體、少量下貝氏體和適量的針狀或小顆粒的鐵素體;而且最終加熱溫度因為是兩相區(qū)就不會出現(xiàn)過熱組織，細化了奧氏體晶粒，在不降低強度的條件下顯著地提高了沖擊韌度，消除了常規(guī)淬火斷口上出現(xiàn)的二次裂紋。

為什么亞溫淬火能改善中碳調(diào)質(zhì)鋼的性能呢?其中一個極重要的因素是未溶鐵素體(呈針狀或小顆粒狀)的雙相組織中，針狀鐵素體均勻分布在回火索氏體上，最大限度地分割回火索氏體基體，使得裂紋在鐵素體和回火索氏體的界面上較難形成。并且隨后裂紋在沿界面擴展和剪斷鐵素體交替進行的擴展過程中，鐵素體通過減弱裂紋前端的應(yīng)力狀態(tài)，以及剪斷塑性良好的鐵素體而消耗較多的能量;裂紋沿界面擴展增加裂紋擴展途徑，裂紋前端偏離最大應(yīng)力區(qū)還需要消耗一部分能量，而小顆粒鐵素體以多邊顆粒狀態(tài)分布在回火索氏體基體上。裂紋擴展過程中，靠鐵素體的塑性變形和增加裂紋擴展的途徑及裂紋偏離最大應(yīng)力區(qū)而阻礙裂紋的擴展。未溶鐵素體呈針狀時強韌性最佳，呈小顆粒的次之，大顆粒的不可取。所以在兩相區(qū)亞溫淬火時，由室溫進入兩相區(qū)得到的未溶鐵素體比高溫奧氏體狀態(tài)降溫進入兩相區(qū)得到的先共析鐵素體要細小均勻?？梢姴徽?2CrMo鋼以何種原始組織狀態(tài)，42CrMo鋼經(jīng)亞溫淬火后高溫回火的沖擊韌性均優(yōu)于常規(guī)調(diào)質(zhì)工藝，其加熱工藝如圖7所示。

但有一個很重要的難于掌握的問題就是兩相區(qū)加熱的保溫時間，如果這段時間控制不好，將降低鋼的淬透性，也就是淬火后在較大截面工件常有硬度偏低于截面較小工件的現(xiàn)象。在二次淬火回火后出現(xiàn)硬度不均、偏低的現(xiàn)象，這是因為從650℃加熱到兩相區(qū)后的保溫時間較短，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時先共折鐵素體，鐵素體和珠光體的形成常依附于未溶鐵素體，這會加速過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變，使C曲線左移，降低鋼的淬透性。但是隨兩相區(qū)內(nèi)加熱保溫時間的延長，由于碳和穩(wěn)定奧氏體的元素向奧氏體富集及鐵素體含量的減少，使C曲線右移，減弱鐵素體對淬透性的不利影響，最終能不降低或稍微提高鋼的淬透性，這可能是針狀和顆粒狀組織有利于奧氏體成分快速均勻化。所以保溫時間是亞溫淬火工藝操作的關(guān)鍵之一。

圖7 42CrMo鋼亞溫淬火工藝Fig.7 The intercritical hardening process of 42CrMo steel

圖8 工件在不同冷速下轉(zhuǎn)變的不同組織Fig.8 Different organization of work pieces in different cooling speed

為了獲得均勻組織、減少工件開裂和硬度不均勻，冷卻烈度的選擇是另一個關(guān)鍵因素。目前我廠在淬火工藝操作時除了工件在筐中雜亂堆放外，冷卻介質(zhì)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，要靠吊車升降移動和行走來造成工件在介質(zhì)中的運動，使冷卻介質(zhì)對工件表面沖刷降溫，這種降溫由于非常緩，而且通過工件表面的介質(zhì)是一種冷熱混合不均的液體。其結(jié)果就造成各工件甚至同一工件得到混合組織，如圖8所示。

從圖8可知由于轉(zhuǎn)變的組織不同、轉(zhuǎn)變的時間不等，造成工件中的應(yīng)力分布非常復(fù)雜;同時造成工件形狀的脹縮不一，因而產(chǎn)生工件開裂。所以，在選擇冷卻方式時，應(yīng)注意以下六個因素:1)淬火介質(zhì)的烈度;2)使用的淬火設(shè)備及方式;3)淬火介質(zhì)的溫度;4)淬火介質(zhì)的循環(huán)速度;5)工件的浸入方向;6)液體與工件接觸的均勻性。

我廠的現(xiàn)狀是六個因素中的四個因素不能滿足，因此必須對冷卻設(shè)備進行進行改造，才能滿足需要。

5 結(jié)論

1)42CrMo鋼因鍛造工藝、熱處理工藝等問題，淬火后獲得混合組織和復(fù)雜的應(yīng)力分布，工件常常成批開裂或較多的開裂。

2)42CrMo鍛件經(jīng)Ac1～Ac3兩相區(qū)加熱淬火，得到馬氏體、鐵素體的復(fù)合組織，消除了常規(guī)淬火斷口上出現(xiàn)的二次裂紋，馬氏體和鐵素體構(gòu)成的復(fù)合組織具有最佳強韌性配合。

3)不論42CrMo鋼以何種原始狀態(tài)進行亞溫淬火、高溫回火后的沖擊韌度均明顯優(yōu)于常規(guī)調(diào)質(zhì)。

以上三點還需要進一步論證后才能確定成立。

4)對易開裂鍛件采用可控氣體多用爐進行等溫淬火、高溫回火，更為穩(wěn)妥。

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