40Cr圆钢裂纹产生原因与解决措施
莱钢科技 第2期(总第146期)
40Cr 圆钢裂纹产生原因与解决措施
董昌兴, 余德河, 房宽军, 卢爱凤, 李红柳
(品质保证部)
摘 要:针对莱钢生产的40C r 圆钢在用户加工过程中的裂纹问题, 用两个典型案例进行分析, 从金相组织、加工工艺、热处理等方面研究, 找出裂纹产生的原因, 对用户加工使用提出建议, 对特殊钢厂提出生产改进措施。关键词:40C r 圆钢 裂纹 淬火
T702-2004标准, 在国家标准基础上, 莱钢与重点直供客户签订了供货技术协议, 对低倍组织、夹杂物、显微组织、晶粒度等做了规定。1. 2 40Cr 圆钢裂纹案例1
1. 2. 1 基本情况
规格ª75mm, 炉号Y096-4164, 加工钻井钻杆用锁接, 经现场分析, 圆钢下料钻孔后加热到860e , 保温40m i n 后淬火, 油冷处理, 540~560e 回火, 经调质后发现内壁出现裂纹, 裂纹位置在中心孔内壁边缘, 宏观形貌不规则, 裂纹深度4mm 左右。1. 2. 2 裂纹金相分析, 见图1~3
。
0 前言
40C r 合金结构钢是莱钢优钢主要品种之一, 作为最常用的合金调质钢, 淬火结合回火以及表面淬火后, 可以制造主轴、套环、齿轮等零件, 在机械加工
行业应用广泛。莱钢生产的40C r 钢是冶金产品实物质量金杯奖产品, 质量一直比较稳定, 享有较高质量信誉与市场份额。2009年出现几起裂纹质量异议, 根据对产品最终使用客户生产工艺调查, 结合异议样品综合分析, 找出了40Cr 圆钢加工中出现裂纹的主要原因, 指导了客户生产工艺调整, 另一方面促进特殊钢厂生产工艺改进。
1 40C r 钢裂纹分析
1. 1 莱钢40Cr 圆钢基本技术条件
熔炼样品基本化学成分见表1。
表1 基本化学成分
技术牌号
要求
C
Si
M n
Cr
P [0. 035
[0. 035S
Cu [
N i [
M o
A l
化 学 元 素
%
0. 370. 170. 500. 80
40Cr 国标
~
~
~
~
0. 440. 370. 801. 100. 370. 170. 600. 90
协议
~
~
~
~
0. 420. 370. 801. 100. 370. 170. 600. 90
内控
~
~
~
~
0. 420. 370. 751. 05
0. 300. 30
[0. 030
[0. 030
[[[\0. 0150. 015~0. 050
0. 200. 250. 15
[0. 030
[0. 020
[[[
0. 200. 250. 15
莱钢40Cr 钢种生产技术条件执行GB /T3077-1999标准, 尺寸、外形、重量及允许偏差执行GB /
作者简介:董昌兴(1972-), 男, 1994年毕业于承德石油专科学校工业分析专业。现为品质保证部工程师, 主要从事质量管理工作。
分析:从图1与图2可以看出, 裂纹两边没有发现脱碳, 在试样边缘有脱碳层, 说明在加热过程中裂纹不存在, 原始材料内部没有裂纹。如图3所示, 零件基体组织为热处理调制态组织, 裂纹延展曲折, 沿
莱钢科技 2010年4月晶界分布, 是冷却过程中形成。钢在淬火介质中冷却形成马氏体, 由于马氏体比溶较大, 体积膨胀, 导致钢件内外面受拉应力, 在加工过程中, 刀具不合理切割, 或者刀具锐敏度达不到要求, 在刀具与材料的积压部位形成弱区, 淬火过程中形成裂纹。裂纹的位置一般分布在钢件边缘, 陡角处应力集中区域, 一旦产生裂纹, 钢件内的应力就大量释放, 裂纹不在进一步扩展。在宏观检查中发现钢件内壁粗糙, 与微观分析对应起来, 可断定裂纹产生的原因非原始钢材原因, 是用户方现场工人加工过程中刀具没有磨好, 导致钢件粗糙度过大,
淬火后形成裂纹。
经试验, 采取以下措施:加大循环次数, 上下循环8次, 使毛坯温度均匀; 加大喷水压力, 喷水时间控制在90s 以上, 使零件整体温度冷却到50e 以下, 减少热量二次扩散。通过改变用户上下循环次数。减少温度不均匀状况, 使热处理方式趋于全截面处理,
裂纹不再发生。
图3 裂纹末端形貌 500@
1. 3 40C r 圆钢裂纹案例2
1. 3. 1 基本情况
用户提出40Cr 圆钢热处理后裂纹, 存在缺陷钢材的炉号:T209-8510, 8512; 规格130mm, 重量80t 左右, 后续还有200t 出现类似问题。现场取证:用户在下料、锻造、车削过程中没有发现裂纹, 在热处理过程中发现裂纹, 裂纹的方向为环形裂纹, 分布位置基本相同, 淬火工艺为表面高频加热、水淬。经过切割刨开, 检查裂纹截面情况发现:裂纹深度在4~6mm 左右, 裂纹末端曲折, 裂纹两边缘没有存在脱碳迹象, 淬火深度在10mm 左右。1. 3. 2 综合分析
国家标准GB /T3077-1999对40C r 圆钢晶粒尺寸没做出具体要求, 仅在6. 10条款特殊要求中提及可以根据协议规定级别, 实际热处理中晶粒尺寸大小在加热速度较快时有重要影响, 对产生裂纹的原始钢材进行晶粒度检验, 见图4。对裂纹根部、中部以及末端金相组织形貌进行检验, 基本特征与案例1相同, 裂纹在热处理过程中产生。对裂纹机加工零件表面与内部组织进行分析。如图5~6。
观察用户的热处理工艺, 发现零件在表面加热时, 由于用户加热线圈太窄, 导致加热部位受热不均匀, 中间部位在喷水时还是黑皮状态, 两边已经加热成白色, 导致裂纹总在零件中心部位发生环行裂纹。
案例2产生的裂纹, 非原始钢材裂纹, 原始钢材晶粒度稍大, 但不属于过热组织, 符合标准要求; 从组织形貌、裂纹深度以及解决措施分析, 此裂纹产生原因主要是加热温度不均匀, 淬火过程中产生的热应力所致。
2 分析与总结
2. 1 原始钢材
从化学成分上看, 无论是从控制范围与实际钢材化验分析, 均与国家标准符合, P 、S 元素含量在0. 025%以下, 裂纹产生与成分无关; 根据对裂纹炉次原始钢材晶粒度检验, 晶粒度在5~6级, 属于国标合格产品, 但实际应用中存在客户要求零件表面
董昌兴, 等:40C r 圆钢裂纹产生原因与解决措施 硬度, 单独采取表面淬火的方式, 中频与高频加热具有加热快速的特点, 一般以秒为单位计时, 迅速加热条件下, 晶粒度大的钢材组织导热速度比一般材料强, 容易产生加热与淬火过程中裂纹。因此, 有特殊要求的用户应根据实际情况与钢厂签订技术协议, 强调晶粒度高于7级。2. 2 淬火工艺
案例1基体组织为热处理调制态组织, 基本符合组织要求, 由于用户加工技能问题导致材料淬火出现缺陷; 案例2中缺陷是加热温度不均匀淬火后造成。保证材料表面无缺陷和加热温度均匀化是材料在加热后进入淬火介质的先决条件, 一定不能忽视, 否则将造成大量的浪费。
第2期(总第146期)
用户在热处理过程中, 要防止如下问题出现:1) 钢件表面粗糙度的问题, 应把刀具磨得锐利, 角度符合切合位置和方向, 建议加工到最后时, 用光刀走一遍, 这样能减少表面产生裂纹的几率。
2) 注意温度均匀性问题, 温度不均匀会造成淬火缺陷, 巨大的热应力和组织应力会使钢件炸裂, 严重时会导致伤人事件。
3) 注意淬火和加工次序问题, 如果在热处理后硬度能达到切割要求, 建议用户先热处理再钻孔。4) 注意合理调节淬火介质淬火烈度, 对高合金钢, 避免冬天加盐, 应添加降低淬火烈度的物质, 如树脂等, 用户根据所使用材料调节介质成分组成。
4 结语
通过对两个案例40Cr 圆钢裂纹缺陷样品分析, 找出了裂纹产生原因。对用户在机加工、热处理、淬火以及产品购买协议等方面提出建议; 同时增加合金结构钢晶粒度检验项目, 与特殊钢厂一起就轧钢加热温度进行研究, 杜绝晶粒度粗大。
参考文献
[1]候增寿. 金属学原理. 上海:上海科学技术出版社, 1990. [2]何肇基. 金属的力学性质. 北京:冶金工业出版社, 1982.
3 改进措施
3. 1 轧钢加热工艺
为保证所要求的晶粒度, 加热段炉气温度不得高于1250e , 开轧温度控制在1100~1200e 之间, 并根据压缩比的大小分段控制加热温度, 即压缩比大加热温度可按上限控制, 相反压缩比小加热温度可按下限控制, 以特殊钢厂中型车间为例, ª48~53mm 规格加热温度按1150~1200e 控制, ª65~75mm 规格加热温度按1100~1150e 控制。3. 2 用户淬火工艺
特邀编辑:朱伟华
Causes of Cracks in 40Cr R ound Steel and Solutions
Dong Changx i n g , Yu Dehe , Fang Kuanjun , Lu A ifeng , LiH ongliu
(The Quality A ssurance Dep. t )
Abst ract :A i m ed at the pr oble m s o f cracks i n 40Cr round stee lm ade i n La i g ang , researchesw ere carried
out in respects like m eta ll o graph ic structures , processi n g techno l o gy and heat treat m en, t based on an a -nalysis of t w o typical cases , fi n di n g out the causes of cracking , g iv i n g suggestions to users about its pro -cessi n g and application and advanc i n g i m prov i n g m easures i n the Spec i a l Stee lP lants ' pr oduction . K ey w ords :40Cr r ound stee; l crack ; quench i n g (上接第71页)
参考文献
[1]余英良. 机床数控改造设计与实例. 北京:机械工业出版
社, 1998.
[2]成大先. 现代机械设计手册. 北京:机械工业出版社,
1995.
特邀编辑:石光玉
D /CTransfor m ation of CA 8463R oll Lathe
Xue Jing , Dong B i n , W u Y ang , Zhu Lifeng
(TheBar P l a nt)
Abst ract :The upg rading of CA8463ro ll lathe enhanced the roll processing effi c iency and guaranteed safe and s m ooth production. K ey w ords :CA8463ro ll lathe ; D /Csyste m ; step m o tor