ML20MnTiB冷鐓鋼開裂原因分析

韓麗娟，尹衍成，魏鑫燕

（青島特殊鋼鐵有限公司試驗檢測所，山東 青島266400）

1 前 言

冷鐓鋼被廣泛應(yīng)用于制造螺栓、螺帽、螺釘?shù)雀黝惥o固件和各種冷鐓成形的零配件。在冷鐓加工過程中，變形量大（60%～70%），所承受的變形速度很高，因此要求冷鐓鋼具有良好的加工性能和力學(xué)性能［1］。ML20MnTiB淬火變形和開裂傾向小，可用水淬處理，不僅熱處理操作簡便，工作環(huán)境得到改善，而且綜合力學(xué)性能好，脫碳敏感性小，成為制作高強度螺栓、螺母的主要材料之一［2］。

某公司生產(chǎn)的螺帽，其材質(zhì)為ML20MnTiB 合金結(jié)構(gòu)鋼。ML20MnTiB鋼的生產(chǎn)流程為：工藝流程高爐鐵水→氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐→LF爐精煉→180 mm×240 mm 方坯連鑄機（末端攪拌+輕壓下）→噴丸→點修或全扒皮→加熱爐（脫碳層控制）→高速線材軋制→成品檢驗→打包稱重→包裝入庫。螺帽生產(chǎn)工藝為：盤條→球化退火→酸洗→拉拔（25 mm拉到23.6 mm）→矯直→下料→冷鐓→熱滾絲→熱處理→表面處理→成品。用戶在使用某批次的螺帽時，發(fā)生開裂現(xiàn)象，取開裂的鍛件，進行相應(yīng)的理化檢驗，并對其開裂原因進行了分析。

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢驗

用戶在使用過程中，出現(xiàn)端部螺栓帽檐處開裂，如圖1所示。對取到的開裂鐵路道釘樣品進行低倍試驗，酸洗裂紋形貌如圖2所示，為通條線縫。

圖1 樣品開裂形貌

圖2 酸洗裂紋形貌

2.2 化學(xué)成分檢驗

對墩裂母材試樣進行化學(xué)成分，結(jié)果見表1。從表1可以得出，該樣品ML20MnTiB鋼的化學(xué)元素成分在內(nèi)控范圍內(nèi)。

表1 ML20MnTiB 鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

2.3 高倍檢驗

在螺帽開裂處取樣，制成金相試樣，經(jīng)研磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，置于光鏡下觀察。如圖3所示，該裂紋由兩部分組成，靠近樣品表面部分的裂縫較寬，遠離樣品表面部分的裂縫較細長，且端部為圓弧形，金相組織為鐵素體＋少量珠光體。

圖3 裂紋形貌 100×

2.4 SEM和能譜檢驗

對裂紋進行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)檢測面存在高溫氧化物，未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物。

3 原因分析

裂紋處未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜物，說明裂紋缺陷非夾雜物所致。因樣品表面缺陷長度方向呈螺旋直線狀，與樣品徑向成一定角度，存在一定扭轉(zhuǎn)角度，與盤條吐絲扭轉(zhuǎn)相吻合，且觀察缺陷周圍存在高溫氧化物，說明表面缺陷在用戶球化退火前已經(jīng)存在［3］，因此可以推斷鐓裂半成品缺陷系母材帶來。

從圖3中可以看出，金相組織為鐵素體＋少量珠光體，晶粒大小合適，裂紋端部圓弧形，與樣品表面垂直，且只檢測到氧化物，因此可以推斷此裂紋為應(yīng)力裂紋［4］。從圖1 中可以看出，螺栓帽檐出直徑最大，冷鐓加工過程中帽檐處金屬的塑性應(yīng)變最大，所承受的拉應(yīng)力最大，最容易產(chǎn)生開裂缺陷。此時，如果材料表面存在某些缺陷，則會在缺陷處形成應(yīng)力集中，使材料表面缺陷成為破壞源,引起工件開裂。

因此，判定首先產(chǎn)生了原始缺陷，在以后的冷卻過程中由于某種原因冷速過快，以此為裂紋源產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。

4 改進措施

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，較少表面缺陷，采取了以下措施：1）生產(chǎn)規(guī)格排序優(yōu)先執(zhí)行由大規(guī)格到小規(guī)格生產(chǎn)，優(yōu)先生產(chǎn)較硬鋼種對新?lián)Q吐絲管進行軌跡預(yù)磨。2）生產(chǎn)時,每4 h停車檢查軋輥表面，出現(xiàn)嚴重麻面立即進行更換。3）優(yōu)化熱滾絲熱處理，降低工件應(yīng)力。4）對冷鐓鋼盤條逐支取樣，做好標記送實驗室低倍酸洗，標簽上的批號、卷號要與實物相對應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有黑線要送檢金相針對性檢驗及時找出原因，防止不合格品出廠。

5 結(jié) 語

ML20MnTiB 墩裂為組織應(yīng)力所致，由于材料表面存在表面缺陷，后續(xù)冷速過快或熱處理過程引起內(nèi)部應(yīng)力裂紋擴展，造成使用過程中鐓裂。判斷盤條的表面缺陷是煉鋼連鑄還是軋鋼所致，觀察裂紋周邊有無氧化特征不是唯一的判定標準，還要分析裂紋的形貌和走向。通過對過程中工藝參數(shù)進行優(yōu)化，工件的合格率達到≥99.3%，滿足了生產(chǎn)要求。