GCr15棒材热剪切开裂原因.pdf

37DOI:10.1197y-w1202308009质量控制与失效分析PTCA(PARTA:PHYS.TEST.)2023年第59 卷81理化检验-物理分册GCr15棒材热剪切开裂原因刘月云，杨娥，周杨，彭先锦，田浩（大冶特殊钢有限公司高品质特殊钢湖北省重点实验室，黄石43 50 0 1）摘 要:在对某热轧态的 GCr15棒材进行热剪切下料的过程中,其剪切面有开裂现象。采用宏观观察、超声波检测、化学成分分析、扫描电镜分析及金相检验等方法分析其开裂原因。结果表明：热轧棒材端部的中心应力裂纹是造成剪切开裂的主要原因，棒材端部的中心应力裂纹与棒材轧制后未及时退火或者缓冷有关。关键词：热轧；剪切开裂；中心应力裂纹中图分类号：TG115.5文献标志码：B文章编号：1 0 0 1-40 1 2（2 0 2 3)0 8-0 0 3 7-0 3Cause of hot shear cracking of GCr15 barLIU Yueyun,YANG E,ZHOU Yang,PENG Xianjin,TIAN Hao(Hubei Key Laboratory of High Quality Special Steel,Daye Special Steel Co.,Ltd.,Huangshi 43500l,China)Abstract:In the process of hot shear blanking of a hot rolled GCr15 bar,there was cracking on the shearsurface.The cracking reason was analyzed by macroscopic observation,ultrasonic testing,chemical compositionanalysis,scanning electron microscope analysis and metallographic examination.The results show that the centralstress crack at the end of the hot rolled bar was the main cause of shear cracking,and the central stress crack at theend of the bar was related to the failure of timely annealing or slow cooling after rolling.Keywords:hot rolling;shear cracking;central stress crackGCr15钢是高碳铬轴承钢，其耐磨性好、抗疲劳强度高，广泛应用于传动轴上的钢球、滚子及轴套等零件中 1-2 1。钢球及轴套多由圆钢热加工成型，既可以用退火态的圆钢，也可以用热轧态的圆钢。高温剪切下料（锻造温度下料)是指将坏料加热到锻造温度下进行剪切的一种下料工艺，在节能、节材和实现模锻工艺的自动化、连续化等方面有着不可替代的优势 3 。GCr15热轧圆棒的生产工艺为：电弧炉冶炼精炼真空处理连铸红送至连续炉加热连轧成g85mm圆棒精整。为了提高生产效率，套圈生产厂家采用自动下料机床进行加热剪切方式下料，剪切加热温度为1 0 8 0 1 1 2 0，加热方式为高频感应加热，下料后部分剪切面可见裂纹。笔者采用一系列理化检验方法分析了剪切面裂纹形成的原因，以避免收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 3作者简介：刘月云（1 9 8 5一），男，本科，主要从事轴承钢技术研发工作通信作者：杨娥，yang_e_该类问题再次发生。1理化检验1.1宏观观察观察两个端面，两个剪切面均可见横向裂纹，裂纹位于剪切面的下半部分，沿剪切方向变形，剪切面宏观形貌如图1 所示，图中箭头所指为剪切方向。1.2超声波检测为了进一步明确缺陷的分布情况，对剪切面中间部分进行手动超声检测，有裂纹的中间部分有明显的缺陷波，沿圆周面进行3 6 0 径向纵波扫查时，反射波幅有高低变化，并有不同程度的跳动，而沿棒材纵向方向扫查时，波形无明显变化，说明内部缺陷具有明显的方向性，波形特征如图2所示。1.3化学成分分析切取试样，用直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果如表1 所示。由表1 可知，其化学成分满足GB/T18254一2 0 1 6 高碳铬轴承钢的要求。38刘月云，等：GCr15棒材热剪切开裂原因理化检验-物理分册a)剪切面1b)剪切面2图1 享剪切面宏观形貌A制门25.0026:00m25:00m26:00mm40%a)波形1b)波形2图2不同部位缺陷的超声检测波形表1试样的化学成分分析结果%质量分数项目CMnSiCrPSCuNiMoA1实测值1.020.330.241.490.0090.0020.050.040.010.039标准值0.951.050.250.450.150.351.401.650.0250.0200.250.250.100.0501.4扫描电镜（SEM)分析和金相检验沿剪切面裂纹部位截取试样，垂直裂纹方向对试样进行研磨抛光，采用扫描电镜观察，裂纹呈锯齿状，靠近剪切面裂纹边缘可见氧化铁，内部裂纹边缘未见氧化铁；整段裂纹边缘均未见大型夹杂物及高温点状氧化产物（见图3）。将试样用硝酸乙醇溶液腐蚀后，置于光学显微镜下观察，靠近剪切面部位裂纹边缘可见轻微脱碳现象，裂纹边缘白亮部分为铁100 um100 ma）开口较宽部位边缘形貌1b）开口较宽部位边缘形貌21mm100umc）开口较窄部位边缘形貌d)内部裂纹形貌图3试样缺陷的SEM形貌39（下转第6 6 页）刘月云，等：GCr15棒材热剪切开裂原因理化检验-物理分册100um100ma）剪切端面裂纹b)内部裂纹图4试样裂纹的显微组织形貌素体，内部裂纹边缘未见脱碳现象。2综合分析平行于直径方向的裂纹位于剪切端面的下半部分。超声波检测时发现，脉冲反射波时有时无，有明显的规律性；出现缺陷波时，缺陷位于近中心部位。由此可判断棒材横截面方向中心部位存在明显具有方向性的线性缺陷。沿棒材纵向进行超声扫查时，一直存在脉冲反射波，说明缺陷沿轧制方向贯穿整个长度。根据剪切面的裂纹形貌特征及超声波检测情况可以判断剪切面出现的裂纹与中心部位缺陷属同一性质，剪切过程中，缺陷发生变形，因此在剪切面上缺陷均位于下半部分。裂纹均呈锯齿状，说明为应力开裂；裂纹边缘未见非金属夹杂物，说明该缺陷与钢中非金属夹杂物无关。靠近剪切面部分的裂纹边缘可见氧化铁及脱碳现象，但裂纹边缘未见点状氧化产物，说明裂纹经历过高温；内部裂纹边缘未见氧化脱碳现象。一般而言，棒材在轧制前加热温度高达1 1 50 以上，且高温段保温时间较长，裂纹边缘会形成密集的点状氧化产物 4。高频感应加热是一种利用电磁感应来加热电导体的方法，会在金属中产生涡电流，因电阻而造成金属的焦耳加热，加热速度快，用该种方式加热，表面会形成一层氧化铁，但是不会产生点状内氧化产物 5。由此可以判断，棒材中心裂纹产生于轧制之后、剪切之前。GCr15轴承钢的含碳量较高，在连铸冷却过程中，铸坏中心区域易产生碳元素和铬元素的偏析，在后续的轧制过程中，中心区域二次碳化物容易在晶界上聚集，形成网状碳化物，从而降低轴承钢的性能。为了避免网状碳化物的析出，需要控制轧后冷却速率及终轧温度。一般而言，棒材高温变形后要立即进人超快冷却系统进行冷却 6-9 。对大规格棒材表面进行强制快速冷却时，由于GCr15钢的导热性较差，心部温度下降得相对较慢，出现返温现象，即棒材心部的热量通过热传导重新加热冷却的表面，使得表面已经冷却的组织发生自回火，直至心部温度与表面温度达到平衡。在此过程中，由于棒材的端部暴露于空气中，冷却速率相对于中间部分更快；表面及端面温度下降较快，形成马氏体，体积发生膨胀，内部温度下降较慢，组织未发生转变。钢的表面产生压应力，心部产生拉应力，若不及时退火或者缓冷，在这种巨大内应力作用下，棒材心部容易出现中心裂纹；一旦应力释放后，不会继续出现更多的裂纹。该种情况下形成的裂纹多为一条，且多出现在棒材的两端。轧制成型后的大规格棒材应尽快进缓冷坑缓冷或者直接退火 1-1 23结论及建议（1）热轧棒材中心应力裂纹是造成热剪切下料端面开裂的主要原因。（2）为避免棒材出现中心应力裂纹，圆棒轧制后应及时退火或者缓冷。（3）利用超声波检测仪对棒材进行无损检测，可有效识别该类缺陷。为防止该类缺陷漏检，需对棒材表面进行3 6 0 扫查。参考文献：1姚文峰，罗玉田.高碳铬轴承钢的质量要求和轧制生产工艺 J.科技情报开发与经济，1 9 9 8（5）：44-45.2宁玉亮，何康，刘年富，等.GCr15轴承钢先共析渗碳体的相变规律 J.材料热处理学报，2 0 1 9，40（7)：9 4-1 0 0.3王军，张文旭，杨程，等.高温剪切下料工艺研究 J.重型机械，2 0 1 8(6)：1-7.4陈家新，杨娥，周立新，等.热轧钢材表面裂纹分析J.物理测试,2 0 1 1,2 9(1)：43-45.5丁得刚.感应加热技术发展概况.金属热处理，1984,9(3):36-42.66（上接第39页）M张武能筒体开裂原因理化检验-物理分册10ma)分析位置0FeCamSiFeAISZnZmCaFe八02468101214161820E/keVb)能谱图图6断口试样暗灰色区域的能谱分析结果Q420B低合金高强度结构钢的生产工艺流程为：铁液脱硫转炉冶炼精炼模铸轧制。为了增强钢材的耐大气腐蚀性，延长使用寿命，电力工程钢结构材料通常采用热镀锌技术5,其工艺流程为：脱脂水洗酸洗水洗热镀锌钝化。热轧后的冷却速率对Q420B钢的显微组织及力学性能影响较大，当冷却速率由2/s提高到18/s时，显微组织从铁素体十珠光体转变为以粒状贝氏体为主的组织6。金相检验结果表明，板心部的显微组织均主要为贝氏体十马氏体，正常状态下钢板厚度1/4处及心部组织应为铁素体十珠光体，这样才能保证钢板具有良好的综合力学性能。钢板的显微组织异常，这是因为轧制过程中终冷速率过快使其产生了贝氏体及马氏体组织，从而产生了过高的屈服强度、抗拉强度及较差的塑性、韧性。Q420B钢的氢脆敏感性较低，但如果其组织异常，存在高强度的马氏体相，其屈服强度、抗拉强度均超过1000MPa，就会急剧增加钢板的氢脆敏感性7-8 6王桂子.高碳铬轴承钢棒材的控制冷却J.特殊钢，1987,8(2):49-58.7闫肃，宋庆功，刘冶.高碳铬轴承钢棒材轧后冷却工艺研究J.热加工工艺，2 0 0 8,37(18)：7 9-8 1.8许加陆，李彦军，陈子坤，等钢球用钢端部中心裂纹产生原因分析J.现代冶金，2 0 10，38（5）：13-15.9孙艳坤，张威.高温变形后冷却工艺对高碳铬轴承钢组织和性能的影响J.热加工工艺，2 0 17，46（8）：同时，断口的渗锌痕迹也证明了Q420B钢板在镀锌前已经发生开裂。另外，受导线拉力的影响，开裂处位于钢管塔两块钢板上，大部分开裂发生在钢塔多面体的棱角处，该处受弯曲加工塑性变形而发生加工硬化，使该部位的韧性、塑性降低，在拉应力的作用下，裂纹更容易沿棱角扩展。3结语（1）钢管塔筒体开裂钢板的化学成分、显微组织、力学性能均不满足标准要求。（2）热轧终冷速率过快造成的组织不良是钢管塔筒体开裂的主要原因，后续热镀锌表面酸洗工序增加了钢板发生氢脆的风险。（3）在输电线路工程设备安装阶段，增加筒体材料的质量抽检工序，及时排查隐患，可以避免该类问题再次发生。参考文献：1孙竹森，程永锋，张强，等.输电线路钢管塔的推广与应用.电网技术，2 0 10,34（6）：18 6-192.2李智博，李海滨，张贺宗.提高Q420角钢力学性能的探讨.理化检验（物理分册），2 0 0 8，44（6）：2 93-2 95.3曹晓春，甘国军，李翠光.Q460E钢在国家重点工程中的应用.焊接技术，2 0 0 7,36（增刊1)：12-15.4常建伟，李凤辉，徐德录，等.输电铁塔用角钢韧脆转变温度评价方法研究J.热加工工艺，2 0 15，44（10）：64-68.5李慧，李运刚，高建新.热镀锌工艺及锌镀层钝化的研究现状J.电镀与精饰，2 0 0 8,30（12）：16-2 0.6王庆芬，罗志敏，马到原.控轧后的冷却速度对Q420qENH园林钢组织和力学性能的影响J.上海金属，2 0 2 1,43(2)：13-19,2 6.7李剑玉.弹性圆柱销开裂失效分析J.理化检验（物理分册），2 0 2 0,56（2）：58-6 0.8罗洁，郭正洪，戎咏华.先进高强度钢氢脆的研究进展J.机械工程材料，2 0 15,39（8）：1-9.100-103.10谷召坤，路晨龙.45Mn2热轧圆钢中心裂纹产生原因分析J.天津冶金，2 0 2 0（2）：6 4-6 6.11丛铁声，田利生，杨翊，等.GCr15SiMn连铸坏的中心裂纹.物理测试，2 0 13，31（4）：53-55.12徐志刚，刘杰光，张迎涛.100mmGCr15SiMn轴承钢棒内裂原因分析及对策.理化检验（物理分册），2016,52(6):412-414,421.