常見的20CrMoH鋼具有高硬度、高耐磨性、淬透性好、韌性適中等特點(diǎn)，且其組織晶粒較細(xì)，無回火脆性。20CrMoH鋼工業(yè)化生產(chǎn)制備工藝為：轉(zhuǎn)爐→精煉+真空脫氣處理→連鑄(電磁攪拌)→入坑緩冷→軋制→入坑緩冷→入庫(kù)。客戶購(gòu)買后的使用工藝為，下料→鍛造→ 粗加工→ 滲碳→ 調(diào)質(zhì)處理→精加工→成型。某單位在購(gòu)進(jìn)一批20CrMoH鋼齒輪后，在對(duì)其進(jìn)行精加工過程中發(fā)現(xiàn)齒輪根部存在裂紋。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)齒輪開裂的原因進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
開裂齒輪的宏觀形貌如圖1所示。由 圖1可知：裂紋靠近齒輪端部，垂直于軸向，裂紋橫穿齒面并延伸至齒根位置；裂紋寬度為1~2mm，裂紋貫穿整個(gè)齒部，在主裂紋附近及較遠(yuǎn)的區(qū)域可見獨(dú)立微裂紋。
1.2 化學(xué)成分分析
開裂齒輪的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。由表1可知：該齒輪的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)控要求。
1.3 金相檢驗(yàn)
沿裂紋橫向取樣,對(duì)試樣進(jìn)行粗磨、精磨、拋光、腐蝕等處理后，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：基體組織為板條馬氏體，裂紋兩側(cè)區(qū)域組織比基體組織顏色淺；位置1處的組織為針狀馬氏體，為高碳鋼淬火組織，該組織與齒輪表面滲碳后形成的針狀馬氏體相同；裂紋兩側(cè)除高碳馬氏體之外，在最靠近裂紋處還存在顏色最深的組織(位置2)，為非馬氏體組織。說明滲碳過程中，裂紋已經(jīng)暴露在富碳環(huán)境中，從而發(fā)生了表面滲碳現(xiàn)象。在滲碳后、淬火前，裂紋處又經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的保溫，發(fā)生了脫碳現(xiàn)象，其淬透性比脫碳區(qū)域低，最終形成了非馬氏體組織。
1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
將裂紋處打斷，在斷口處截取試樣，利用掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口處開裂較為嚴(yán)重，試樣表面裂紋處破碎程度較嚴(yán)重，主裂紋兩側(cè)呈沿晶開裂的典型特征；基體內(nèi)的主裂紋未見沿晶開裂形貌，但是其兩側(cè)裂紋的沿晶走向明顯。
裂紋附近組織SEM形貌及能譜分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋附近組織晶粒的晶界上存在點(diǎn)狀、短棒狀等形態(tài)的異物，該異物為硫化錳夾雜物。
將裂紋處進(jìn)行沖斷，斷口處的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：斷口表面氧化較為嚴(yán)重，斷口形貌以沿晶斷裂為主，可見大部分區(qū)域呈珊瑚狀；可見溝壑嵌于基體中，內(nèi)有呈枝晶狀的異物。
用掃描電鏡及能譜儀對(duì)異物進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：異物為硫化錳夾雜物，且枝晶狀的硫化錳夾雜物沿晶界分布。
2、綜合分析
將低碳鋼中硫化錳夾雜物的形貌分為3類：Ⅰ類硫化錳呈偏晶、球狀；Ⅱ類硫化錳呈共晶、枝晶狀；Ⅲ類硫化錳呈不規(guī)則共晶、多面體狀。Ⅰ類硫化錳由亞穩(wěn)態(tài)偏晶反應(yīng)形成，Ⅱ類硫化錳由穩(wěn)定的共晶反應(yīng)生成，Ⅲ類硫化錳由非穩(wěn)態(tài)共晶反應(yīng)生成。Ⅱ類硫化錳大多產(chǎn)生于枝晶間。
硫化錳的形態(tài)一般與氧、硫元素含量以及冷卻速率有關(guān)。Ⅰ類、Ⅲ類硫化錳是在相對(duì)緩慢的冷卻速率下生成的，Ⅱ類硫化錳的生成則需要較快的冷卻速率，冷卻速率越快，Ⅱ類硫化錳生成的越多。當(dāng)氧元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)大于0.012%時(shí)，會(huì)形成Ⅰ類硫化錳，該類硫化錳一般呈無規(guī)則分布，存在于晶界和晶內(nèi)處；當(dāng)氧元素含量為0.008% ~0.012%時(shí)，會(huì)形成Ⅱ類枝晶狀硫化錳，一般分布在低鋁脫氧鋼的晶界上；當(dāng)氧元素含量小于0.008%時(shí)，會(huì)形成Ⅲ類硫化錳，該類硫化錳呈無規(guī)則分布，形態(tài)類似氮化鈦；當(dāng)氧元素含量為0.01% ~0.02%時(shí)，會(huì)同時(shí)生成Ⅰ類及Ⅱ類硫化錳。影響硫化錳夾雜物形態(tài)的另一重要因素為硫元素含量，當(dāng)硫元素含量為0.01%~0.04%時(shí)，會(huì)形成Ⅰ類硫化錳；當(dāng)硫元素含量大于0.05%時(shí)，會(huì)形成Ⅱ類硫化錳，并且Ⅱ類硫化錳含量隨著硫元素含量的增加而增加。
開裂齒輪中的硫化錳夾雜物屬于Ⅱ類硫化錳，這種枝晶狀硫化錳夾雜物多形成于連鑄過程中的第二脆性區(qū)(溫度為900~1200℃)。硫化錳夾雜分布在晶界之間，其膨脹系數(shù)與基體存在較大差異，冷卻時(shí)由于兩者收縮量不同，在晶界處形成內(nèi)應(yīng)力，弱化了晶界，破壞了鋼基體的連續(xù)性。無論在后續(xù)加工還是熱處理過程中，都會(huì)成為微裂紋與應(yīng)力集中的聚集區(qū)域，造成基體沿晶開裂。
開裂齒輪經(jīng)過了軋制、鍛打、滲碳、調(diào)質(zhì)等工藝，裂紋兩側(cè)發(fā)生了明顯滲碳現(xiàn)象，說明在鍛打過程中裂紋就已經(jīng)形成并與外界相通。在淬火過程中，冷卻速率較快，較大的淬火應(yīng)力使得內(nèi)部缺陷再次快速擴(kuò)展并暴露于表面，最終導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生裂紋。
3、結(jié)論及建議
20CrMoH鋼齒輪開裂的原因是：枝晶狀的硫化錳非金屬夾雜物沿晶界分布，從而弱化了晶界，破壞了基體的連續(xù)性,在后期軋制、鍛打過程中，齒輪根部形成了微裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪發(fā)生開裂。
建議控制硫元素含量，避免生成枝晶狀硫化錳，盡可能多地生成球狀硫化錳，從而減少應(yīng)力缺陷，消除各向異性，提高鋼材性能。控制好脫硫工藝的各環(huán)節(jié)，提高脫硫率，以保證良好的脫硫效果。
作者：孫雪嬌，路峰，楊旭，方金林，董丙成
單位：山東鋼鐵股份有限公司 萊蕪分公司
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2024年第1期
