20CrMnTi圆钢加工开裂原因分析及改进措施

供稿|王雷国，王建忠，姚建辉，杜敬洲 / WANG Lei-guo, WANG Jian-zhong, YAO Jian-hui, DU Jing-zhou

渗碳钢20CrMnTi淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，正火后可切削性良好，抗疲劳性能相当好，被广泛用于制造承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。邯钢一炼钢厂有一台200 mm×200 mm断面方坯连铸机，具有中间包连续测温、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌等功能。大型轧钢厂棒材生产线全线轧机能够实现全线无扭控制轧制，轧线上设有测径仪，可保证产品尺寸精度。邯钢大型轧钢厂棒材生产线于2011年3月投产，年设计生产能力为80万t，产品规格为φ12～90 mm圆钢，其中20CrMnTi占全部产量的5%。但是该品种自生产以来，断续在使用过程中发生了几起较为典型的加工开裂问题，经过系列分析，找出了导致加工开裂的原因，并制定了改进措施，使加工开裂问题得到控制。

原因分析

根据加工开裂质量异议处理情况，认为导致20CrMnTi加工开裂原因主要分为炼钢原因、轧钢原因和用户加工原因。其中，20CrMnTi的化学成分要求见表1。

炼钢原因

某用户反馈的棒材20CrMnTi在锻造、辗环过程发生纵向裂纹(见图1)，用户加工工艺为：圆钢—中频加热—下料—锻打—辗环—机加工—热处理。从缺陷试样上切取金相试样进行裂纹缺陷分析(见图2)，裂纹深度为2.61 mm，裂纹头部宽度0.57 mm，裂纹周围可见大量氧化物质点，裂纹周围组织存在严重脱碳，判定该裂纹缺陷为铸坯裂纹。

表1 20CrMnTi化学成分(质量分数)%

图1 棒材加工裂纹宏观形貌

另外，某用户反映抛丸后的齿轮坯车削1.5 mm后有肉眼可见表面裂纹，用户加工工艺为：下料—锻造—正火—抛丸—精车—制齿—热处理。对缺陷试样在缺陷位置切取金相试样，在显微镜下进行金相检验，裂纹深度0.01 mm，裂纹内存在夹杂物，能谱分析夹杂物中存在Al、Ca、Na、Zr等元素，鉴于裂纹内存在大夹杂物，判定该裂纹为夹杂物引起，与连铸耐材及大包水口侵蚀有关。

轧钢原因

某用户使用20CrMnTi用于加工摩托车齿轮，经冷镦后，表面存在裂纹，裂纹位置不确定，车削加工后裂纹消失。现场查看，冷镦后试样裂纹主要表现为试样A和试样B两种形式，见图3。

根据部分用户反馈的顶锻开裂情况，取样进行分析。对缺陷试样A进行金相显微镜观察，发现裂纹深度为0.7 mm，缺陷处没有发现高温氧化物质点，无脱碳，见图4。结合缺陷内部光滑没有分叉现象，而且与表面呈现一定角度，底部圆滑，判断该缺陷为轧制时划伤所致。

缺陷试样B进行金相显微镜分析，裂纹垂直深度为0.5 mm，裂纹开口与表面呈一定的角度，且沿图中线头指示方向向内有延伸；在模锻过程中有一部分没有被撑开，见图5。将裂纹根部放大到500倍、1000倍后观察(见图6)，根部有氧化铁皮，无脱碳，判断原因为轧钢折叠缺陷。

图2 裂纹金相组织照片：(a) 抛光态；(b) 腐蚀态

图3 棒材加工裂纹宏观形貌：(a) 试样A形貌；(b) 试样B形貌

图4 试样A裂纹位置金相照片：(a) 抛光态；(b) 腐蚀态

图5 试样B裂纹位置金相照片：(a) 抛光态；(b) 腐蚀态

图6 高倍检测照片

用户加工原因

某用户工序订购20CrMnTi圆钢制作公交车用齿轮和齿轮轴，其制造工序为：锯切下料—加热—锻打—热处理—粗车—精车—成品，在制成成品后用户反映齿轮表面存在裂纹缺陷，缺陷试样见图7。

从用户处带回20CrMnTi缺陷试样上切取金相试样进行裂纹缺陷分析，缺陷处存在晶界融化、晶粒粗大现象，判定该缺陷为用户加热工艺不当，工件产生过烧，与圆钢材料质量无关，裂纹形貌及组织见图8。

改进措施

炼钢方面

图7 齿轮裂纹宏观形貌

加工开裂的主要原因是连铸过程水质脏，导致喷嘴堵塞，冷却不均匀，雾化效果差及夹杂物影响，采取的主要改进措施：

1) 冶炼前，要求入炉铁水w(P)≤0.120%，铁水P质量分数大于0.140%不得组织冶炼20CrMnTi。

图8 裂纹位置金相照片：(a) 抛光态；(b) 腐蚀态

2) 加强生产过程对喷嘴雾化、托辊转动状况及停机时铜管内壁、足辊转动状况的检查，严格落实开机前各项设备的检查确认工作，确保生产过程工艺和设备的稳定。对关键工艺件铜管、喷淋架，喷嘴进行规范和标准化，严格执行验收、安装、维修及报废标准。浇次间对二冷残钢及时处理，控制好中包连浇时间。

3) 以良好的工况、稳定的设备运行，为质量提供基础保障，减少机械应力造成的裂纹影响。对结晶器冷却水的进出水温度表和流量表进行了校正，保证了测量准确性。保证结晶器水缝宽度相同，偏差值控制在0～0.2 mm。外弧辊缝调整标准为0～0.2 mm，内弧辊、侧弧辊辊缝调整标准为0.4～0.5 mm，喷淋架位置，偏差控制在±3 mm之内。将结晶器进出水温差均控制在5.5～7℃范围内，结晶器水流量控制在135±2 m3/h范围内。

4) 对拉速进行优化和固化，增加结晶器内坯壳厚度，减少回温热应力引起的皮下裂纹。形成一套最优的连铸工艺控制参数。对喷嘴进行重新计算和选型，同时对比水量进行调整试验。对保护渣进行优化，减少铸坯表面渣沟等缺陷。

5) 连铸工序浇铸过程中包液面不裸露钢水，拉钢时，氩气阀门开启，水口在冲击板上方并挂正，做好水口状态检查。中包夹杂铝：Als/Alt≥0.90，大包到中包Als≤50×10-6。结晶器液面波动≤±5 mm，超标后对应铸坯甩废，单流波动大于30 min停止浇注该流，拉速每次最大调整0.2 m/min，5 min内不允许第2次连续调整。

轧钢方面

1) 划伤缺陷主要从轧机进出口导卫磨损、轧制线不对中、滑动导槽轧制线等方面采取措施。

2) 折叠缺陷主要是做好轧辊设计，并保证料形尺寸合适防止部分架次过充满。加强工装管控，对部分导卫件经过长期使用严重磨损，滚动导卫本体变形严重，对轧件的夹持效果较差时，要及时更换，防止在轧制过程中产生轻微倒钢现象，从而产生轧制折叠。

3) 根据实际情况对圆钢头尾部进行剪切。对出现飞剪尾部剪切不净时，必须对成品在冷剪处剪切干净。新增加2#剪剪尾功能，确保尾部缺陷切除干净。同时在顶锻、酸洗取样检查表面质量，避免产生不合格品。

结束语

通过对用户反馈的20CrMnTi圆钢加工开裂问题进行系列分析，发现导致加工开裂的原因来自炼钢夹杂物、冷却不均、轧钢折叠等方面，及时针对炼钢、轧钢生产过程采取控制低磷铁水、中包连浇时间、水口使用、二冷水、低倍检验和轧辊设计等改进措施，减少了20CrMnTi圆钢加工开裂问题的发生，有效地保证了产品质量。

[1] 徐志东，范植金.20CrMnTi齿轮钢热镦开裂原因分析. 钢铁研究，2013，8(4)：31

[2] 姜英禹.20CrMnTi热轧齿轮圆钢热顶锻裂纹分析与改进措施.新疆钢铁，2012，3(3)：1