分享：20MnCr5齒輪鋼裂紋缺陷分析

本鋼特鋼廠生產的出口20MnCr5齒輪用鋼在軋制成圓鋼時出現了嚴重的表面縱向裂紋，文章分析了縱向裂紋缺陷的形態以及成因：前期高溫裝爐只是產生縱裂的誘因，連鑄坯上存在成分偏析帶是造成鋼材縱裂的根本原因，后續軋制促進縱裂形成和擴展。根據造成裂紋的原因采取針對性的措施，保證齒輪鋼20MnCr5的高效穩定生產，所做分析具有一定的推廣應用價值。

隨著我國汽車工業的發展，國內許多汽車齒輪生產線分別從德、日、美、意、法等國引進了齒輪用鋼?，F在我國特鋼企業已能批量生產的新型齒輪鋼有Cr-Mo、 Mn-Cr、 Mn-Cr-B、 Cr-Ni-Mn、 CrNi-Mo系列[1-3]。 20MnCr5是常用的齒輪用鋼，本鋼特鋼廠在生產出口印度的20MnCr5鋼材時，在軋制成圓鋼后間斷性地出現嚴重的表面縱向裂紋，其中
ф 140~210 mm覆蓋規格較多。通過光學顯微鏡對裂紋處金相組織進行觀察，分析裂紋形成的原因，并結合生產工序進一步查找裂紋形成的原因，為現場處理該缺陷提供指導。

生產工藝流程
鐵水預處理→轉爐冶煉→爐外精煉 (LF+RH)→連鑄→熱送→加熱→軋制→緩冷→修磨→檢驗→包裝繳庫→發貨。

宏觀形貌
裂紋形態見圖1，裂紋沿著鋼材縱向分布，長裂為6 m，短的為0.5~2 m，在鋼材橫斷面上縱向裂紋的開口寬度為1~5 mm，深度為8~12 mm。

化學成分
對縱向裂紋嚴重的鋼材取樣進行化學成分分析，如表1所示，化學成分與熔煉成分相吻合、無異常，符合標準要求。

金相組織檢驗
從縱向裂紋比較嚴重的鋼材上取樣進行高倍分析，將取下的試樣磨平、拋光后用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕，通過光學顯微鏡對試樣的表面和心部進行金相組織檢驗，具體顯微組織如圖2和圖3所示。檢驗結果表明：齒輪鋼20MnCr5熱軋后組織為鐵素體+珠光體，表面與心部的組織形貌以及晶粒尺寸差距不大，無明顯的帶狀組織。

金相組織分析
為了研究裂紋形成原因，在圓棒的裂紋部位取樣，利用光學顯微鏡對裂紋部位的顯微組織形貌進行分析，以便于尋找產生裂紋的工序。具體的顯微組織如圖4所示。

◆ 裂紋形態分析

圖4為裂紋末端形態放大圖，靠近裂紋處的鐵素體晶界被氧化并形成了微裂紋。對比裂紋兩側的金

相組織，一部分組織細小，另一部分組織粗大，不能重合在一起，可以判定出裂紋在相變前(軋制前)已經產生，在隨后的軋制過程中獨立發生相變，造成裂紋兩側組織差異較大。裂紋下基體組織存在連續的組織流變，即裂紋產生以后依然有形變過程，由此可以推斷，裂紋是源自鑄坯缺陷。

圖5和圖6是在試樣未開裂處的顯微組織，可以很明顯看到細微裂紋，鋼材上存在條帶鐵素體，并在此組織內部存在大量的縫隙，出現裂紋，該裂紋在加熱過程中延伸擴展，是由內部向外開裂。

◆ 夾雜物分析

圖4裂紋的末端未發現夾雜物，初步判斷該裂紋的形成不是由夾雜物所引起的。

◆ 脫碳檢驗
通過圖4可以看出，裂紋的兩側出現貧碳區，平均脫碳層可以達到0.6 mm，嚴重的可以達到1.1 mm，沒有過熱過燒現象，嚴重區域出現鐵素體偏析帶，鋼材邊部脫碳層不足0.3 mm，進一步證實裂紋在軋制前就已經形成。

為了證實裂紋形態，又從其他帶有縱向裂紋的鋼材上取樣進行高倍檢驗，裂紋形態、裂紋兩側脫碳區等均與上述情況一致。

分析討論

該鋼種為冷坯裝爐，由于是低碳鋼因此并沒有對加熱爐預熱段溫度進行控制要求，按照加熱工藝Ⅰ組，加熱溫度為(1200±20) ℃，加熱和保溫時間為4 h，出爐溫度1170~1190 ℃，各項記錄顯示加熱及軋制制度均符合操作規程。

由于加熱爐預熱段溫度不限定，入爐溫度受加熱2段溫度影響，一般會在800~900℃。鋼坯在高溫裝爐、快速加熱的情況下，連鑄坯內外因產生較大的溫差而形成較大的熱應力。同時，迅速發生組織轉變而產生較強的組織應力。由此判斷導致縱裂的原因可能是連鑄坯在爐溫高達900℃時直接裝爐導致連鑄坯內外產生較大的應力，特別是連鑄坯表面處在拉應力狀態時就會造成鋼材縱裂。

從高倍檢驗可知，鋼材內部存在偏析帶——鐵素體偏析帶，連鑄坯上對應存在成分偏析帶——貧碳區。高溫裝爐、快速加熱使連鑄坯表面產生較大的拉應力，當偏析帶接近表面或者是暴露在表面，連鑄坯表面拉應力使連鑄坯在偏析帶外產生微裂紋，并且在夾雜物處形成應力集中。在高溫加熱時，偏析帶內鐵素體晶界被氧化，已經形成的微裂紋得以連接并沿偏析帶擴展，從而導致鋼材縱裂。

結束語

高溫裝爐只是產生縱裂的誘因，后續軋制時變形應力促進縱裂形成和擴展。連鑄坯上存在成分偏析帶是造成鋼材縱裂的根本原因。根據造成裂紋的原因采取針對性的措施保證齒輪鋼20MnCr5的高效穩定生產，因此裂紋原因分析具有一定的推廣應用價值。

參考文獻

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[2] 閆詠春，杜麗娜. 齒輪鋼生產現狀及發展. 機械工程與自動化，2003(s1)：70

[3] 董瀚，惠衛軍. 汽車用合金結構鋼進展. 汽車工藝與材料，2004，23(6)：16

文章來源——金屬世界