40Cr棒材表面纵裂缺陷的研究

40Cr 锻钢曲轴毛坯调质裂纹分析及技术对策第一拖拉机股份有限公司锻造厂 (洛阳 471004) 李克生 王阔军 田进安摘 要 对40Cr 锻钢曲轴毛坯的调质裂纹进行了分析,从材料成分、热处理工艺和锻造工艺等方面探讨了减少裂纹的途径,在保证曲轴性能的前提下,有效地降低了质量成本。

关键词 曲轴 裂纹 成本曲轴是发动机中的关键零件,它的质量好坏对发动机的性能有重大影响。

为此,确保曲轴的设计性能,减少大量生产过程中产生的淬裂报废乃至为重要。

我厂是生产锻钢曲轴毛坯的大型锻造厂,年产各类曲轴15万支左右,其中以40Cr 材质者居多。

图1为一种40Cr 曲轴的实物照片,表1和表2为该曲轴的化学成分和机械性能要求。

表1 40Cr 曲轴的化学成分要求%材质CSiMnPSCrCu40Cr 0.41~0.440.17~0.370.60~0.80 0.035 0.0350.95~1.10 0.2表2 用户对40Cr 曲轴的性能及金相组织要求s /M Pa b /M Pa 5/% /%A ku /J 金相组织 6208401245474级1 化学成分对曲轴性能的影响1.1 非金属夹杂物对曲轴性能的影响非金属夹杂物包括硫化物、硅酸盐、铝酸盐等复合夹杂物,这些非金属夹杂物积聚严重时将割裂金属基体材料的连续性,使 bb 和A k 值明显降低[1]。

在生产实际中经常发现曲轴在调质后校直时发生断裂,笔者曾在扫描电镜下观察断裂曲轴的断口形貌,发现断口处有明显的夹杂现象,见图2。

因此,为保证曲轴的性能,锻坯中非金属夹杂物的级别应严格按照GB/T10569-1989评级图标准控制在2.5级以内。

1.2 微量元素对曲轴淬透性及性能的影响通常情况下微量合金元素会改变曲轴调质后的机械性能,但随着微量元素总量的增加及配伍的不当,曲轴的淬裂倾向将明显增大。

微量元素对调质工序的影响集中体现在提高曲轴的淬透性上。

据资料介绍,微量合金元素总和达到0.2%的45#钢,其淬透性明显增高。

中
国 裂纹先纵向再斜横向扩展 应
急
分
析 斜断面放射状条纹收敛于纵断面
斜断面以韧窝断口为主
图 3 轴杆斜断口微观分析
轴杆裂纹和微观断口分析表明，轴件属于疲劳断裂，裂纹先纵向疲劳扩展再以与轴向呈
网 的一定角度的斜方向扩展，形成最终的长“X”形断口。
金相组织及显微维氏硬度测试 在轴杆裂纹附近截取轴杆横截面和纵截面金相试样。金相显微镜下观察纵截面金相抛光
试样中的非金属夹杂物，如图 4 所示，观察到有厚度超尺寸的链状夹杂物（厚度 20μm）和
球状氧化物（直径 53μm），其他主要为细系的条状塑性硫化物夹杂。根据 GB/T10561-05 对
夹杂物评级的结果见表 1。
表 1 试样夹杂物检验评级结果
夹杂物(级)
原号
A
B
C
D
DS
粗细粗细粗细粗细
Jl008818 0 2.5 2.5S 0
记录号：JS-AL-转动设备（轴和外壳）－104
40Cr 轴杆早期断裂原因分析
摘要：试样为经正火后表面感应淬火热处理的 40Cr 轴杆试验件。在最大扭转力矩为±
中850 N ⋅ m 的交变扭力作用下，循环达到 50，000 次时发生断裂（设计要求 100，000 次）。 通过断口和裂纹分析、金相组织及显微维氏硬度测试，结果表明：由于轴杆原材料因素（超 尺寸脆性夹杂物及带状组织）和热处理因素（淬火过渡区组织硬度梯度较大），造成其横向 疲劳强度偏低，是导致轴杆发生早期扭转疲劳断裂的基本原因。 国关键词：轴杆；扭转疲劳断裂；组织；热处理 材料种类/牌号：合金结构钢/40Cr 概述 应 试样为经正火后表面感应淬火热处理的 40Cr 轴杆试验件。在最大扭转力矩为± 850 N ⋅ m 的交变扭力作用下，循环达到 50，000 次时发生断裂（设计要求 100，000 次）。 对轴杆发生早期断裂的原因进行了分析。 急 测试过程与结果 断口及裂纹分析 轴杆失效位置如图 1 所示，肉眼观察，断面两侧无明显塑性变形。裂纹纵向扩展后，与 分 轴向呈一定角度向两边分叉穿过轴杆，形成两个斜断面。总体观察，整个裂纹呈长“X”形， 呈现出裂纹扩展过程中受交变扭转应力控制的特征。裂纹沿纵向扩展的长度约 20mm，形成 基本与轴杆轴向平行的纵断面。轴杆断面起裂区表层（深度约 4mm）断口光亮，是交变应力 析 下匹配断面相互摩擦的结果，具有疲劳断裂的宏观特征。中心区域和终断区断口呈灰色层条 形纤维状断口，达到轴杆半径深度后的断面起伏较大，且越靠近斜断面位置，起伏区面积越 大。 网

40Cr钢调质后的裂纹原因分析热酸浸试验发现调质后的原材料其周围表面上有贯穿试样全长的纵向裂纹，见图1。

图1 纵向裂纹图2 横向裂纹在调质后发现纵裂的试样圆周上有2~3条裂纹。

这些裂纹均与表面成一定角度，略显弯曲，长1~2㎜不等。

其中一条裂纹从端部向内开裂至试样中心，此裂纹的延伸部分垂直于试样表面，宏观较直，见图１、图２：横向酸浸试面上除裂纹外未发现其它明显的宏观缺陷。

２宏微观检测２.1断口分析横向断口分析，可见裂纹因走向不同而分为两部分，靠近表面的起始部分两壁非常光滑，呈沿加工方向伸长的细长带状组织，具有灰黑色的氧化颜色；与起始部位走向不同的裂纹延伸部分则无此现象。

断口宏观形貌见图3图3 断口宏观形貌2.2金相分析取调质后纵裂的横向取样，在金相显微镜下观察，靠近表面的裂纹起始部分两侧均有明显脱碳层，其内部充满非金相夹杂物，并可见灰色氧化物夹杂。

见图4：靠近裂纹表面处的显微组织500X观察延伸到心部的裂纹末端，其尾部比较尖细，两侧无脱碳现象。

试样的基本组织为回火索氏体，为40Cr钢正常调质组织，见图5图5：裂纹尾部处的表面组织500X2.3轧材的宏观检验另抽查3支未经调质的原材料轧材，其中2支外表面陷约可见纵向裂纹，载取横向试样，磨抛后用4%硝酸酒精溶液浸蚀，宏观可见试样圆周上有明显与表面呈一定角度略显弯曲的裂纹，深约2㎜。

见图6图6：轧材表面裂纹的宏观形貌3分析与讨论3.1 由图2裂纹的宏观形貌可见，裂纹起始部分与一定角度，且较弯曲，拟是轧制不当，如变形工艺不合理及设备状态不正常，而形成的表面折叠。

有的肉眼可见，有的被轧制面掩盖，经酸洗后方能显示出来。

3.2根据图3的断口宏观形貌，裂纹起始部分在轧制过程中产生，且内壁已氧化，最后轧制道次不能使裂纹焊合。

在轧制过程中，裂纹内壁相互摩擦而形成延长加工方向伸长的金属流变条带。

3.3图4裂纹两侧的严重脱碳现象及裂纹内氧化铁皮被压入，充分说明裂纹的起始部分存在于淬火之前。

第42卷第3期• 52 •2021 年6 月s p e S S S e e l Vol.42. No. 3 June 202140C r热轧圆钢剪切开裂原因分析及改进工艺汪春梅(芜湖新兴铸管有限责任公司监控部，芜湖241000)摘要针对075 m m的400圆钢下料剪切出现横向开裂，采用直读光谱仪、金相显微镜、SEM、EDS及显微 硬度计对试样进行分析。

结果表明，裂纹主要由圆钢中存在夹猹缺陷，其表面缺陷经砂轮机打磨烧伤形成马氏体 的硬化层，塑性降低，在剪切力作用下最终导致开裂。

通过工艺改进石灰量由2.5 kg/t调整为4.2 k g/t,化渣剂由 0.45 kg/t调整为0.85 lcg/t,Ca/Al比由0.05调整为0.07,水口浸人深度由95 m m调整为105 mm,保护渣碱度由 0.78调整为0.86、粘度由0.34 pa _s调整为0.45 pa • S,减少连铸拉速波动等，有效解决了铸坯夹渣缺陷，轧材表 面缺陷率由〇. 35%降低至0. 08% ,保证了圆钢的产品质量。

关键词40C r钢横向开裂夹渣表层硬化保护渣Analysis on Causes of Shear Cracking of 40 Cr HotRolled Round Steel and Process ImprovementW a n g Chunmei(Monitoring Department, Wuhu Xinxing Ductile Pipes Co Ltd, Wuhu 241000) Abstract In view of the transverse cracking of <J>75mm 40Cr round steel,the samples are analyzed by direct reading spectrometer, metallographic microscope, SEM，EDS and microhardness. The results show that the cracks are mainly caused by slag inclusion in steel, and the surface defects are formed by burned in grinding to form a hardened layer of mar­tensite, which reduces plasticity and eventually leads to cracking under the action of shearing force. Through process im­provement, the amount of lime is adjusted from 2. 5 kg/t to 4. 2 kg/t, the slagging agent is adjusted from 0. 45 kg/t to 0. 85 kg/t, the Ca/Al ratio is adjusted from 0. 05 to 0. 07, and the nozzle penetration depth is adjusted from 95 mm to 105 mm, mold flux alkalinity is adjusted from 0. 78 to 0. 86, viscosity is adjusted from 0. 34 pa •s to 0. 45 pa •s, reducing continu­ous casting speed fluctuations, etc. , it is effectively to avoid the defects of casting slag inclusion, and the surface defect rate of rolling materials decreases from 0. 35% to 0. 08% , ensuring the quality of round steel products.Material Index 40Cr Steel, Transverse Cracking, Slag, Surface Hardening, Protecting Slag40C r钢是GB/T3077-2015标准中常用的一种铬系合金结构钢，因其具有较好的加工和使用性能，被广泛应用于机械制造业[1]。