探讨30CrNi2WVA钢调质纵裂及解决办法

王佳明

(攀钢集团江油长城特殊钢有限公司)



探讨30CrNi2WVA钢调质纵裂及解决办法

王佳明

(攀钢集团江油长城特殊钢有限公司)

对供某厂的30CrNi2WVA棒材在调质后发现的裂纹试样进行了化学成分分析、钢的内部夹杂物及显微组织检验，同时探讨了其钢的调质热处理制度，找出了裂纹产生的原因主要是棒材的表面缺陷，在调质过程中缺陷部位在淬火应力的作用下，导致局部应力集中而造成的枪管半成品纵裂。最终通过提高棒材表面质量、加强对表面质量管控杜绝了此类问题的产生。

热处理制度淬火应力局部应力集中

0　前言

30CrNi2WVA为中碳合金结构钢。淬透性好，在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能。缺口敏感性小、裂纹发展速度不太快。适用于制造小截面在高温回火后使用的零件，也广泛应用于制造轻武器承受高压高温的枪身、枪管等部件。近几年随着国际形势的不断变化，区域对抗摩擦不断升级，国际市场对轻武器需求逐年增大，国内轻武器用钢需求也伴随着逐年增加。

1　存在问题

2015年初，供中兵集团某厂3个炉号Φ26 mm规格30CrNi2WVA棒材，在用户调质或调质车光后发现个别枪管出现裂纹，如图1、图2所示。产品经调制后虽未造成大规模废品，但降低了产品的信用评级，严重的影响后续轻武器类用钢的供货。

2　问题分析

2.1化学成分

从裂纹处切取编号为413A12V2-2559试样进行化学分析，检验结果见表1。

由表1可知，各元素成分满足标准要求。

2.2夹杂物检验

从裂纹处切取试样，并对所取试样进行夹杂物检验，检验结果见表2。夹杂物水平完全高于标准要求水平。

图1　调质后有纵向裂纹枪管

图2　调质车光后有纵向裂纹枪管

2.3超声波探伤

该批棒材出厂前严格按GB4162-2008锻轧钢棒超声检测方法中 A级全体积进行探伤检验,探伤结果表明满足国标要求。

2.4高倍分析

在裂纹处切取试样进行显微组织分析，裂纹两侧明显无脱碳迹象，如图3所示。裂纹处组织为回火索氏体如图4所示。

表1　化学成分 　 / %

表2　夹杂物

(a) 裂纹中部

(b) 裂纹端部

(a) 非裂纹处

(b) 裂纹处

2.5热处理工艺探讨分析

2.5.1热处理工艺流程

锯切下料—调质—深穿孔—机加工。

2.5.2热处理制度

预热(660 ℃～700 ℃)保温20 min —淬火：(890±10) ℃ 保温20 min—冷却：流动自来水，水温<50 ℃，冷却时间不少于100 s—回火温度680 ℃保温40 min,空冷。

2.5.3热处理工艺讨论

30CrNi2WVA 的AC1约720 ℃、AC3约为830 ℃、MS点约为320 ℃ ，有关资料显示该钢常用奥氏体化温度在850 ℃～910 ℃之间。从钢的特性进行分析，钢中含有Cr、V、W能阻碍碳在奥氏体中的扩散，提高钢的淬透性；Cr、V、W是强碳化物形成元素与钢中的铁、碳和合金元素相互作用的结果，可能生成(Fe、Cr)3C、(Fe、W)23C6、(Cr、Fe)6C、(W、Cr、Fe)23C6、WC、V4C3等多种复合金碳化物和合金碳化物。合金碳化物在奥氏体化过程中不易溶解，当其呈小颗粒均匀分布时，能够阻碍奥氏体晶界的移动，防止晶粒长大，这种作用以V4C3最为显著。Cr、V、W碳化物形成元素淬火时获得充分固溶后，在回火过程中将起到阻碍碳化物聚集长大的作用，从而提高钢的回火稳定性。V、W等元素只有当回火温度高于500 ℃时，才能显著地从固溶体中析出，并常以弥散分布的合金碳化物的形式出现。V、W的碳化物硬度均很高，其弥散析出的结果，将使钢的硬度回升而产生“二次硬化”效应，同时也增大了钢的耐磨性。W能提高铁素体的再结晶温度，增加钢的蠕变抗力。弥散分布的合金碳化物在高温下不易聚集，也有利于高温持久强度，这些因素使钢在高温下的性能得到了充分保证。为使得棒材具有良好的综合性能，回火制度要采用660 ℃至710 ℃高温回火。通过高温回火可使得淬火马氏体转变为索氏体，从而使得棒材具有较高的强度和较高的韧性。用户采用890 ℃淬火+680 ℃回火的热处理制度是符合该钢特性的。

2.5.4内应力分析

棒材在淬火过程中工件内部产生内应力，主要是热应力和组织应力。材料按其热膨胀规律，在冷却时发生收缩。相邻两部位降温速度不同，导致冷却过程的任-时刻比容的差异，相互产生应力，称为热应力。马氏体的比容大于奥氏体，在马氏体转变时，随马氏体量增多，工件发生膨胀。相邻部位冷却到马氏体转变点MS的时间不同，或者在MS以下冷却速度不同，由于钢中马氏体转变的变温转变特性(见马氏体转变)也将产生内应力，称为组织应力。当内应力超过钢的强度时，就会出现淬火裂纹，淬火裂纹的主要特点是：裂纹出现在淬火之后回火之前，裂纹两侧无脱碳、无明显氧化现象。从图3可以看出，试样裂纹两侧无明显氧化迹象，满足裂纹特点符合淬火裂纹特点，但结合整个热处理工艺分析及长风厂枪管调质合格率统计来分析，在同一热处理制度下，调质生产几千只枪管只炸裂10余支枪管，而西钢供30CrNi2WVA棒材未出现炸裂现象，产品废品率低于0.03%，证明该裂纹不是淬火裂纹。

2.6枪管裂纹形貌分析

枪管裂纹形貌如图5、图6、图7所示。

图5　枪管裂纹形貌图

图6　枪管裂纹形貌图

图7　枪管形裂纹貌

从图5可以看出，枪管裂纹形貌特点笔直、有力，从一端至另一端裂纹宽度逐渐变窄；通过图6、图7进行试样两端裂纹深度对比可以看出裂纹深度也逐渐减轻，裂纹深度均未超过心部。通过以上裂纹形貌特点可以推断出，该试样上的裂纹为扩展裂纹。当带有表面缺陷的棒材在淬火时，淬火产生的热应力及组织应力集中到缺陷处，造成局部应力集中当应力足够大时便会使得棒料开裂，该处就为棒料的裂纹源，在开裂扩展过程中伴随着应力不断减小裂纹扩展的宽度及深度也随之减小直至消失，裂纹扩展部分的两侧没有氧化迹象，该试样就为裂纹的扩展部分非裂纹源。

3　采取措施

30CrNi2WVA棒材用825轧机开坯+连轧轧制成材加工工艺生产，棒材表面缺陷通常是由中间坯清理不干净，表面有微裂纹和凹坑等缺陷存在，轧坯在后期轧制过程中，裂纹扩展和凹坑覆盖造成了棒材出现表面裂纹的情况。由于棒材规格小支数多等原因，在成品棒材表检过程中会出现漏检现象。为从根源解决这一问题，后续生产过程中采取了对中间坯加强控制，同时加大对中间坯头、尾切除量、中间坯表面进行修磨处理等以避免轧制成型过程中造成不必要的表面缺陷，同时加强对成品棒材表面检查及处理。

4　取得效果

通过加强对棒材表面质量严格管控后，在后续供该厂3批次共计80余吨棒材。经用户调质处理后再未出现裂纹现象，其枪管毛坯调质热处理合格率达到100%，完全超过该厂调质棒材合格率99.7%内控要求。

5　结论

1)通过对化学成分、金相组织及热处理等分析表明，供中兵集团某厂30CrNi2WVA棒材内部质量完全满足标准要求。

2)导致30CrNi2WVA棒材调质后出现裂纹的原因是棒材表面缺陷未清除干净，在淬火时造成应力集中产生裂纹并且扩展。

3)通过加强棒材表面检查和中间坯管控的方法可确保出厂棒材表面质量，从而避免了棒材因表面问题引起的调质纵裂现象。

[1]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M]. 北京：机械工业出版社，2008：98-120.

[2]陈金荣. 30CrNi2WVA钢调质工艺的改进[J].机械工人，2005(1)：62-64.

DISCUSSION ON THE 30CRNi2WVA WITH CRACKS AFTER QUENCH AND SOLUTIONS

Wang Jiaming

(Jiangyou Changcheng Special Steel Co., Ltd. )

In this article, the 30CrNi2WVA with cracks after quenching, which is for a factory, is analyzed by chemistry analysis, inclusion examination and microstructure investigation. It is found that the surface cracks of bar were caused by stress raisers which were formed in the defect area under the quenching stress. Therefore, this problem can be resolved through strengthening of surface inspection after studied the heat treatment.

heat treatmentquenching stressstress raisers

2016—3—19

联系人：王佳明，助理工程师，四川. 江油(621700)，攀钢集团江油长城特殊钢有限公司技术中心；