42CrMo钢法兰开裂原因分析

　　摘要：42CrMo钢经辗环、调质处理后有沿轧制方向扩展的裂纹，最大宽度可达到90μm。采用金相显微镜、扫描电镜(带能谱仪)对裂纹附近组织进行检测，发现在裂纹附近存在明显的脱碳层且裂纹内部有铁氧化物，在钢的基体内发现大量大尺寸夹杂物，主要有Al、Mg、Si、Ca、O等元素。由此确定裂纹是在辗制过程中产生的，由于夹杂物尺寸过大且形状不规则，在钢变形时夹杂物附近会产生严重的应力集中，而导致开裂。原材料钢水未经二次精炼，洁净度不足，不适合作为辗环原材料使用。

　　关键词：42CrMo钢;裂纹;夹杂物;钢洁净度;辗环

　　42CrMo钢属于高强度钢，淬透性良好，无明显的回火脆性，调质处理后有较高的强度和良好的韧塑性，低温冲击韧性良好。目前，大直径法兰普遍采用辗环机轧制[1]。 某厂采购了一批准80mm的42CrMo圆棒辗环轧制法兰，该批次钢材由供货厂家经转炉工艺冶炼，钢包内合金化，调整化学成分，然后连铸，未经LF炉精炼和真空脱气。

　　钢材工业论文范例： 超高强度钢材材料在实际工程中的应用

　　辗环、调质处理(淬火加高温回火)后进行机加工，在机加工过程中发现法兰表面沿轧制方向上出现裂纹，裂纹粗大且延展较深，导致产品报废不能使用，废品率接近30%，造成较大的经济损失。在对产品进行锻造和热处理的过程中，裂纹是常见的缺陷之一。锻造裂纹常产生于组织粗大、应力集中处或合金元素偏析处，裂纹内部常充满氧化铁皮;热处理裂纹的特点是刚健挺直，呈穿晶分布，起始点较宽，尾部细长曲折[2]。为了确定裂纹性质及成因，在裂纹处取样，进行分析测试。

　　1试验材料及方法

　　1.1试验材料

　　在有缺陷的法兰盘上切取3个试样，观察裂纹的宏观形貌，可以看到裂纹方向与辗制方向一致。 采用直读光谱分析法兰试样的化学成分。

　　1.2试样制备及观察

　　对有裂纹的表面进行粗磨、细磨及抛光，再用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，将试样待测面浸入约6s。采用金相显微镜观察试样裂纹附近的显微组织，观察抛光后未腐蚀过的试样中的裂纹形貌，裂纹附近与钢基体的夹杂物及分布。利用NovaNanoSEM450场发射扫描电子显微镜对裂纹附近进行形貌观察，并对夹杂物进行能谱分析，测定其化学成分。

　　2试验结果及分析

　　该裂纹出现在产品正面的弧形处，将试样裂纹处抛磨、抛光之后在光学显微镜下进行初步观察。裂纹粗大，沿轧制方向扩展，最大宽度达到90μm，破裂情况严重。在裂纹附近的钢基体上发现较多的夹杂物，颗粒尺寸较大。42CrMo钢是典型的调质钢，法兰的供货状态为调质处理，组织是回火索氏体，这种组织不仅具有一定的强度，而且具有良好的韧性[3]。采用4%的硝酸酒精溶液对试样进行浸蚀，利用光学显微镜观察裂纹。

　　可以可到基体表面组织基本为回火索氏体，较为均匀，在裂纹两侧边缘发现有约50μm的脱碳层(颜色明显较基体浅)，且裂纹附近脱碳层中存在粗大的铁素体组织。将样品试块待检面进行磨制抛光，用Zeiss金相显微镜观察裂纹处夹杂物情况，可以观察到钢基体中及裂纹附近都存在较多大颗粒的夹杂物。根据国标GB/T10561-2005对钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图进行评级，夹杂物类型主要为DS类，等级为2.0级(直径38～53μm)，夹杂物级别超标严重，在对产品后续加工过程中这些夹杂物会作为裂纹的萌生源，最终导致开裂。

　　用NovaNanoSEM450场发射扫描电子显微镜及能谱对裂纹处进行检测。可以看到裂纹内部及两侧存在大量铁的氧化物。扫描电镜观察还发现裂纹附近存在许多形状不规则的夹杂物，最大尺寸可达到30μm，在夹杂物的周围已经出现微小的开裂。选取其中几个夹杂物进行EDS能谱分析。夹杂物中有Mg、Si、Ca、Al、O等元素，可以判断为夹渣。不规则、硬而不可变形的夹杂物，其普遍被认为对最终产品是有害的[4-6]。

　　3分析与讨论

　　由以上检测结果可知，在裂纹中和附近发现大量氧化铁，并在裂纹两侧出现了脱碳层，可判定该裂纹为轧制裂纹，在轧制、热处理时裂纹两侧被氧化。而淬火裂纹基本是在Ms点以下形成的，其周围不会被氧化而出现脱碳层。在裂纹附近及钢基体中发现大量大颗粒夹杂物，并观测到有夹渣现象。在轧制过程中，钢的基体会承受较大的变形，而有的夹杂物塑性差(B类、D类、DS类)不易变形，在大颗粒夹杂物处会产生严重的应力集中，从而导致产品开裂。

　　夹渣形状不规则，钢铁变形时应力集中情况更为严重，带来的开裂危险更大，夹渣周围已经发生了微小的开裂现象。夹杂物一般是指通过加热和冷却等热处理过程都不能消除的一种非金属间化合物。成分和结构较为复杂，通常分为外来和内生两大类[7-8]。外来夹杂物一般是指由耐火材料或精炼渣带入所形成的一种非金属间化合物(夹渣)，而内生夹杂物则是在液态金属发生化学反应时所生成的一种金属间化合物。

　　由上述金相及扫描检测可以判断钢中存在超标的内生夹杂和夹渣，钢的洁净度不理想。降低非金属夹杂物对产品质量影响最重要的就是降低非金属夹杂物在产品中的含量，在精炼过程中使用合理的精炼渣及通过氩气搅拌钢液可以对非金属夹杂物进行有效去除。在LF精炼时合理控制炉渣碱度，可以有效去除钢液中的氧元素和硫元素，同时能有效吸收钢液中上浮的非金属夹杂物，以此净化钢液。在通过氩气搅拌钢液时会使非金属夹杂物与钢液分离，随氩气泡一同上浮到顶层，最终被炉渣所吸收。

　　再者由于搅拌过程会使钢水形成细小漩涡，一些细小的夹杂物会相互碰撞结合成大颗粒夹杂，大颗粒夹杂上浮至顶层被炉渣吸收。由于采购的原材料在冶炼过程中并未进行LF炉精炼及真空脱气，在钢液中还留有不少夹渣和脱氧产物(DS类)，在钢锭中形成超标的夹杂物。轧制过程中，夹杂物附近产生严重的应力集中，形成裂纹源，最终致使裂纹产生。研究表明，夹杂物对钢强度的影响与其尺寸密切相关，当夹杂物颗粒比较大(>10μm)时，其会明显降低钢的屈服强度和抗拉强度[9]。建议对钢进行二次精炼以洁净原材料。

　　4结论及建议

　　(1)法兰裂纹粗大且沿轧制方向扩展，裂纹附近有脱碳现象且发现有大量的铁氧化合物，其为轧制裂纹。(2)钢中DS类夹杂物等级达到2.0级，严重超标，同时在钢中发现有夹渣现象，在轧制时会产生严重的应力集中，最终导致开裂。(3)采用二次精炼技术可去除钢水中的夹杂物，改善钢的洁净度，建议对钢进行二次精炼以洁净原材料。

　　参考文献：

　　[1]贺凯林，金丽萍.42CrMo钢法兰开裂分析[J].热处理，2017，32(1)：52-54.

　　[2]盛志敬，杜水明，何鑫，等.锻造和热处理过程中裂纹形成原因分析[J].内燃机与配件，2020(5)：109-110.

　　[3]张焱，尤显卿，汪冬梅，等.40CrMo钢大轴的断裂失效分析[J].热加工工艺，2007，36(24)：76-78.

　　[4]JiangM，WangXH，ChenB.FormationofMgO·Al2O3inclusionsinhighstrengthalloyedstructuralsteelrefinedbyCaO-SiO2-Al2O3-MgOslag[J].ISIJInternational，2008，48(7)：885-890.

　　[5]ParkJH，TodorokiH.ControlofMgO·Al2O3spinelinclusionsinstainlesssteels[J].ISIJInternational，2010，50(10)：1333-1346.

　　作者：王亚楠,李亚波,李忠华,赵文涛