20CrMnTiH 熱鍛齒坯加工過程中產(chǎn)生裂紋原因分析

趙賀楠， 劉年富

（寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

20CrMnTiH 齒輪鋼是國內(nèi)各種工程機(jī)械、汽車等傳動齒輪、齒輪軸等廣泛使用的鋼種，要求化學(xué)成分均勻、波動小，要求鋼液的純凈度高[1]。齒輪是汽車、機(jī)械工業(yè)重要的傳動零件，起著傳遞動力及改變速度和方向的作用，其使用條件惡劣，要承受摩擦和高沖擊載荷作用，要求齒輪鋼必須具備高硬度、高耐磨性和高接觸疲勞強(qiáng)度等綜合使用性能[2]。

某公司使用Φ130 mm 規(guī)格的20CrMnTiH 圓鋼，在加工熱鍛齒坯的過程中發(fā)現(xiàn)裂紋。20CrMnTiH 熱鍛齒坯生產(chǎn)加工流程為：圓鋼鋸切下料（長度260 mm）—熱墩坯（直徑210 mm×厚80 mm）—沖孔（直徑80 mm）—捻環(huán)（直徑300 mm×厚70 mm）—熱擠模鍛成形（運(yùn)動擠壓，直徑330 mm×厚70 mm）。為了查找20CrMnTiH 熱鍛齒坯產(chǎn)生裂紋的原因，采用ARL3460直讀光譜儀、金相顯微鏡和掃描電鏡對熱鍛齒坯試裂紋樣進(jìn)行了檢驗和分析。

1 檢驗結(jié)果

1.1 化學(xué)成分

使用ARL3460 直讀光譜儀對20CrMnTiH 熱鍛齒坯試樣進(jìn)行光譜檢測，化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分 %

由化學(xué)成分檢測結(jié)果可知，20CrMnTiH 熱鍛齒坯試樣的材質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》的成分要求，特別是有害雜質(zhì)元素硫、磷的含量優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，在正常使用的情況下不會使材料脆性增加。成分分析結(jié)果表明，20CrMnTiH熱鍛齒坯試樣的化學(xué)成分無異常。

2.2 宏觀形貌

目視觀察熱鍛齒坯試樣發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)在內(nèi)孔側(cè)表面，體視顯微鏡下觀察裂紋呈中間大，兩端小傾斜向內(nèi)發(fā)展的裂紋，裂紋內(nèi)粗糙不平，如圖1 所示。

圖1 宏觀裂紋形貌

2.3 金相組織

使用LEICA 倒置數(shù)字顯微鏡（型號：DMILM），在裂紋處取樣進(jìn)行金相檢測，金相顯微鏡下觀察裂紋末端圓滑，裂紋內(nèi)見氧化鐵并存在明顯的脫碳現(xiàn)象如見下頁圖2、圖3 所示。

圖2 裂紋形貌

基體組織為珠光體+鐵素體，如下頁圖4 所示。

2.4 電鏡分析

圖3 裂紋處組織形貌

圖4 基體組織形貌

使用ZEISS 掃描電子顯微鏡（型號：EVO18），觀察發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)均存在較厚的氧化層，裂紋內(nèi)斷口起伏不定，存在組織明顯的撕裂痕跡，說明鋼材內(nèi)孔側(cè)表面受外部較大作用力致使此區(qū)域基體撕裂，如圖5、圖6 所示。

圖5 裂紋處形貌（13 倍）

3 分析與討論

圖6 裂紋處形貌（50 倍）

1）由化學(xué)成分分析可知，熱鍛齒坯試樣的化學(xué)成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 5216—2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》對20CrMnTiH 圓鋼的要求。

2）目視觀察熱鍛齒坯試樣裂紋均出現(xiàn)在內(nèi)孔側(cè)表面，通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)存在組織撕裂痕跡，說明鋼材內(nèi)孔側(cè)表面受外部較大作用力致使此區(qū)域基體撕裂而形成裂紋，裂紋在高溫下發(fā)生氧化脫碳現(xiàn)象，致使裂紋處覆蓋一層氧化鐵層。

4 結(jié)語

由成分、金相組織及電鏡的分析結(jié)果可知：20CrMnTiH 熱鍛齒坯試樣的裂紋，是由于鋼材內(nèi)孔側(cè)表面受外部較大作用力導(dǎo)致此區(qū)域基體撕裂而形成的裂紋，裂紋是鋼材在鍛造過程中產(chǎn)生的鍛造裂紋。