30CrMnSi钢筒形件旋压开裂的原因及改进措施

肖乾发, 梁霄鹏, 姚春臣, 许晓波, 罗青云, 丁 洵, 李 耀

(1.江南工业集团有限公司, 湘潭 411207；2.中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083)

大型筒形件作为某些特殊用容器的关键部件，不能出现任何裂纹缺陷。目前，对于大直径、超长、变壁厚的筒形件多采用旋压工艺，该方法不仅能节约材料，还能利用加工硬化提升结构强度。但是，金属管状材料旋压性能受材料本身组织和旋压工艺的双重影响，任一环节存在偏差均可能使筒形件发生开裂。

一批材料为30CrMnSiA钢的大型筒形件在旋压加工过程中发生开裂。笔者通过理化检验等方法，分析了该筒形件开裂的原因，以确保产品质量和可靠性，确保生产进度。

1 理化检验

1.1 宏观观察

旋压开裂发生在筒形件旋压的一端(见图1)，裂纹较多，裂纹相互连接形成碎块并脱落，在筒形件上留下一些孔洞。

图1 旋压开裂筒形件的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of spinning cracking cylindrical part

1.2 化学成分分析

检查该批筒形件原材料的进厂验收情况，其材料的状态和化学成分均满足技术要求。从旋压开裂筒形件取样进行化学成分分析，结果见表1，其化学成分亦满足标准的技术要求。

表1 旋压开裂筒形件的化学成分Tab.1 Chemical compositions of spinning cracking of cylindrical part

1.3 断口分析

从筒形件断口处取样，采用扫描电镜(SEM)进行观察。由图2可知，断口已被污染，较难找到最先发生断裂的位置，断口可见部分球形污染物[1]或材料自身的夹杂物。

图2 旋压开裂筒形件的断口微观形貌Fig.2 Fracture micro morphology of spinning cracking cylindrical part

从筒形件断口附近取样，抛光后进行表面形貌观察。由图3可知，很多位置存在不规则形状的化合物,这些化合物主要为含氮和钛的化合物。

图3 筒形件断口附近化合物的SEM形貌和EDS分析结果Fig.3 SEM morphology and EDS analysis results of compoundsnear the fracture of cylindrical part

1.4 显微组织观察

对断口附近和远离断口位置取样后进行显微组织观察，如图4所示。

图4 筒形件断口附近和远离断口位置的显微组织Fig.4 Microstructure near and far away from fracture of cylindrical part: a) near fracture, low magnification;b) near fracture, high magnification; c) far away from fracture, low magnification; d) far away from fracture, high magnification

由图4可见:经腐蚀后断口附近的组织和远离断口位置的组织均中存在黑色点状物，但是断口附近的黑点更多;另外，远离断口位置的组织均匀，断口附近的组织中存在大块岛状组织，组织不均匀。

1.5 扫描电镜和能谱分析

分别对断口附近组织中的黑色点状物和岛状组织进行扫描电镜和能谱分析。由图5可见，黑色点状物可能为硫化物和钛氮化合物，岛状组织主要为硅元素的偏聚。

图5 断口附近黑色点状物和岛状组织的SEM形貌和EDS分析结果Fig.4 SEM morphology and EDS analysis results of black dots and island-like structure near fracture:a) SEM morphology of black dots 1; b) SEM morphology of black dots 2; c) SEM morphology of island-like structure;d) EDS analysis results of black dots 1; e) EDS analysis results of black dots 2; f) EDS analysis resutls of island-like structure

脆性化合物的存在会使材料的塑性变形能力降低[2]。材料组织不均匀导致变形不均匀，容易形成局部应力集中，加速加工过程中材料的开裂。

2 生产过程排查

该筒形件的工艺流程是：热处理毛坯加工→正火→旋压毛坯加工→旋压→精加工→探伤。

调查时，热处理操作人员及现场技术人员反映：该批筒形件正火后的硬度偏高，大于240 HB，故进行了第二次正火处理，第二次正火后筒形件的硬度基本符合要求。

根据显微组织观察结果，发现组织不均匀的情况，故判定是正火工序出现差错导致。

首先，对正火后的其他筒形件重新进行硬度检测，结果发现：筒形件沿轴向的硬度严重不一致，一端硬度为240 HB，另一端硬度为170 HB，且较硬的一端周向硬度也存在不一致的情况，个别位置处的硬度达300 HB。

通过对筒形件热处理设备进行调查和检查发现，前期该设备进行了维修，其炉内气体的冷却方式选取了适用于中型件和小型件的单向冷却方式，但这种方式不利于大型筒形件的冷却，导致大型筒形件正火冷却时一端冷速偏快，另一端冷速则较慢，正火后两端硬度差别较大。筒形件旋压时，硬度较高的一端容易开裂。另外，该批筒形件旋压开裂数量约占已旋压数量的65%，均为严重开裂，生产暂停。

3 分析与讨论

3.1 筒形件旋压开裂的原因

从理化检验、排查结果综合分析得出：大型筒形件的冷却方式选取不当，筒形件冷却不均，导致其硬度不均，出现了富硅的岛状偏析区，这是筒形件旋压塑性变形不均甚至开裂的主要原因；该批筒形件冶炼后残存较多诸如硫化物、氮化钛等夹杂物，造成局部应力集中，形成开裂源，这是影响筒形件的塑性变形能力，造成其开裂的次要原因。

3.2 对策及实施效果

针对筒形件开裂的原因，改进了筒形件旋压前的热处理工艺，选取适用于大型工件的双向交替冷却方式及工艺参数，对旋压工艺也进行了改进、完善。然后，将该批剩余原材料重新进行试生产。经生产验证：改进工艺后大型筒形件的变形量、探伤结果、水压试验强度等均满足产品技术要求，没有出现旋压开裂、水压试验开裂的情况。产品正式恢复生产后，质量稳定，这表明开裂原因分析准确，改进措施实施有效。

4 结论

(1) 该批大型筒形件旋压开裂的主要原因是热处理时冷却方式选取不当，导致组织不均匀，硬度不均匀。另外，原材料中存在脆性化合物，导致材料塑性变形能力降低也是发生开裂的次要原因。

(2) 改进热处理工艺，选用适用于大型工件的双向交替冷却方式，并对旋压工艺进行改进、完善后旋压件均未发生开裂，产品性能满足技术要求。