圖 1 開裂鋼管宏觀形貌
分享：45Mn2鋼圓管開裂原因
45Mn2鋼是中碳鋼,該鋼的強(qiáng)度、耐磨性和淬透性均較好[1－3],一般用于制造在較高應(yīng)力與磨損條件下工作的零件,如磨擦盤、車軸、蝸桿、齒輪、重載荷機(jī)架以及冷拉狀態(tài)中的螺栓等。某45Mn2鋼圓坯在加工成圓管時,在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)鋼管表面存在裂紋,鋼管加工流程為：原料檢驗→下料→加熱→穿孔→連軋→張力減徑→檢驗→熱處理→表面化處理→矯直→無損檢測→臺檢→標(biāo)識、稱重→打包、入庫。筆者采用一系列理化檢驗方法,查明了鋼管表面裂紋產(chǎn)生的原因,并提出了改進(jìn)措施,以避免該類缺陷再次產(chǎn)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
在生產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)45Mn2鋼圓坯加工成圓管后,表面存在裂紋,開裂鋼管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：在進(jìn)行試樣加工時,缺陷處部分金屬分離脫落；開裂位置位于管外壁,與基體明顯分離。
1.2 化學(xué)成分分析
在開裂鋼管上取樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學(xué)成分符合45Mn2鋼的技術(shù)協(xié)議要求。
Table 1. 開裂鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Al | |
| 實測值 | 0.43～0.48 | 0.20～0.35 | 1.50～1.70 | ≤0.015 | ≤0.010 | 0.010～0.035 |
| 技術(shù)協(xié)議 | 0.43～0.48 | 0.17～0.35 | 1.5～1.7 | ≤0.020 | ≤0.010 | 0.010～0.035 |
1.3 微觀分析
在鋼管開裂處截取金相試樣,將試樣進(jìn)行磨制、拋光處理,然后將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：試樣的裂紋處及周圍未見夾雜物。
圖 2 試樣的拋光態(tài)形貌
將試樣用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇溶液腐蝕,然后將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：開裂處基體組織與異常金屬處組織存在明顯差異,基體組織與異常處接觸邊緣存在明顯脫碳現(xiàn)象,與鋼管表面脫碳情況一致,開裂處金屬邊緣未見脫碳現(xiàn)象；試樣基體表面均存在脫碳現(xiàn)象,組織為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體,異常金屬處組織為珠光體＋顆粒狀碳化物。
圖 3 開裂鋼管的顯微組織形貌
利用掃描電鏡對金相試樣異常金屬處進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：鋼管異常金屬處未見明顯脫碳現(xiàn)象。
圖 4 開裂鋼管異常金屬處的SEM形貌
1.4 電子探針顯微分析
對鋼管基體和異常金屬進(jìn)行電子探針顯微分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知：鋼管基體和異常金屬中C、Mn、Cr、Mo等元素含量有明顯區(qū)別；異常金屬中C元素含量高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.65%,Mn元素含量低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%,Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54%～0.64%,且異常金屬中含有少量的Mo元素；鋼管基體中C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.45%,Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.7%,未見Cr元素和Mo元素。
Table 2. 鋼管基體和異常金屬電子探針顯微分析結(jié)果
| 元素 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |
|---|---|---|
| 基體 | 異常金屬 | |
| Si | 0.20,0.22,0.20 | 0.21,0.21,0.20 |
| Mo | 0.00,0.00,0.00 | 0.01,0.02,0.02 |
| Cr | 0.08,0.10,0.07 | 0.57,0.54,0.64 |
| Mn | 1.65,1.81,1.69 | 0.85,0.86,0.96 |
| Fe | 97.69,97.13,97.60 | 97.01,97.24,97.10 |
| Cu | 0.05,0.07,0.07 | 0.06,0.04,0.01 |
基體C元素定量分析結(jié)果如圖5所示,異常金屬處C元素定量分析結(jié)果如圖6所示。由圖5,6可知：基體表面存在深度約為0.15 mm的脫碳層,異常金屬處未見明顯脫碳現(xiàn)象。
圖 5 基體C元素定量分析結(jié)果
圖 6 異常金屬處C元素定量分析結(jié)果
2. 綜合分析
由宏觀觀察結(jié)果可知,異常金屬與基體呈分離狀,未見融合現(xiàn)象。表明在受外力壓入的作用下,鋼管磨削時異常金屬脫落。由金相檢驗結(jié)果可知,鋼管開裂處未見夾雜物,異常金屬處組織與基體組織明顯不同,異常金屬處組織珠光體含量高,為高碳鋼組織[4]。同時,開裂處基體側(cè)存在脫碳現(xiàn)象,與鋼管表面脫碳情況一致,而異常金屬處未見脫碳現(xiàn)象,表明開裂處與基體的組織結(jié)構(gòu)不同。電子探針顯微分析結(jié)果顯示,異常金屬的C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65%,基體的化學(xué)成分未見異常,表明異常金屬與基體的材料不同。
3. 結(jié)論
在對鋼管試樣進(jìn)行磨削時,異常金屬自行脫落,與基體呈分離狀,且異常金屬與基體組織不同,兩者的化學(xué)成分中C、Mn、Cr等元素存在明顯差異,說明外來金屬異常壓入導(dǎo)致鋼管表面產(chǎn)生裂紋。
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