40Cr 冷镦钢表面裂纹原因浅析

2020-12-18徐海霞北京新光凯乐汽车冷成型件股份有限公司

锻造与冲压 2020年23期

文/徐海霞·北京新光凯乐汽车冷成型件股份有限公司

40Cr 是典型的中碳调质钢和冷镦模具钢。该钢加工容易，经适当的热处理后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，综合性能较好。由于冷镦工艺可以节省原材料，并最大限度地减少机械加工成本，所以一直以来深受欢迎。

冷镦用钢一般要求屈强比为0.5 ～0.65，端面收缩率大于50%。此外为避免冷镦时表面开裂，要求钢材表面质量良好，同时钢材的表面脱碳要尽可能小。因此冷镦钢大多为低碳素结构钢和优质合金结构钢，因其具有优良的冲击韧性，可满足冷镦高变形率的要求。但由于零件材质要求，也会使用少量中碳素结构钢。中碳钢强度较高，塑性稍差于低碳钢，控制不好的话，在冷镦过程中，易造成开裂缺陷。

我公司用40Cr 冷镦钢生产汽车底盘系统的轴类零件，该轴类零件对汽车的安全运行起着至关重要的作用。40Cr 材质轴类零件产生了开裂缺陷，为此我们对开裂缺陷件进行了取样检验和分析，以找出开裂原因。

工艺流程及研究方法

40Cr 轴件生产工艺流程

冷镦用40Cr 精制线材加工流程：铁水预处理→转炉冶炼→LF 炉→（VD/RH）炉→连铸（150mm× 150mm 方坯）→铸坯检查→抛丸、探伤、修磨→高线轧制→检验→酸洗→1 次拉丝→热处理→酸洗与皮膜处理→2 次拉丝→检测→包装。

40Cr 线材的冷镦工艺流程

矫直→剪切→整形→成形→清洗→烘干，成形共分6 个步骤，逐步将产品冷镦至目标尺寸。

研究方法

影响冷镦钢冷镦开裂的原因较多，其机理主要是冷镦钢塑性降低、组织连续性和基体连续性受到破坏，具体的影响因素会以不同的方式影响到产品的冷镦性能，造成产品冷镦开裂。为此，根据此工件的生产工艺流程进行初步分析，确定产生裂纹的阶段。

经对冷镦过程6 个工位样件进行尺寸测量，均符合工艺要求，排除了冷镦产生缺陷的可能。为此，可以确认产生缺陷的过程是在线材加工流程。

分别取冷镦后开裂的零件和母材试样，对可能导致产生表面裂纹的因素进行逐一分析。而影响40Cr合金冷镦钢盘条产品质量的因素主要包括化学成分、非金属夹杂物、表面质量、组织结构和力学性能等方面，以下将从这几个方面进行具体分析。

试验检验与分析

化学成分分析

采用光谱仪对缺陷件进行化学成分分析，结果见表1。

开裂零件批次化学成分符合标准的技术要求，排除化学成分不合格造成开裂可能性。

表1 化学成分表(wt%)

拉伸性能分析

为满足冷镦工艺要求，对冷镦用线材做了强度和塑性技术要求。取同批次冷镦线材样棒，采用60t 万能试验机对缺陷件进行拉伸性能分析，结果见表2。

开裂零件批次的拉伸性能符合标准的技术要求，排除原材料拉伸性能不合格造成开裂可能性。

顶锻试验

在线材上截取试样，直径24mm，长度24mm，做1/2 顶锻试验，试验后表面无开裂，符合技术要求，排除顶锻性能不合格造成开裂可能性。

显微组织分析

⑴母材试样。取母材样，直径φ30mm，高度15mm，如图1 所示。处理步骤：对试样裂纹处进行线切割、金相研磨、抛光、腐蚀，制备成金相试样，采用激光共聚焦显微镜观察了母材的心部、1/4 处和距边缘1mm 位置的微观组织照片，结果如图2 所示。

从金相照片可知，母材组织为球化退火组织，分布均匀，球化级别符合冷镦钢原材料技术要求，因此判定母材组织无异常。

缺陷件金相分析

取冷镦开裂零件如图3所示。处理步骤：对试样裂纹处进行线切割、金相研磨、抛光，制备成金相试样，在激光共聚焦显微镜下进行金相和裂纹观察。

如图4 所示，在冷镦零件样的横剖面的裂纹中发现了夹杂物，夹杂物在钢材基体中，从形貌上判断不是后期加工或者样品制备带来的。

表2 拉伸性能结果

扫描电镜实验

在扫描电镜SEM 下，观察试样裂纹的走势分布及形态，并对裂纹缺陷处物质进行EDS 能谱分析。图5 为图3 中冷镦零件样红色标记内的肉眼可见的宏观裂纹横剖面形貌照片，沿裂纹方向夹杂物缺陷的能谱（EDS）分析如图6 所示。能谱分析表明，这些夹杂物缺陷的成分主要为Al、O、Ca、Mg、Si、Ti、S，其中主要为Al2O3，且Al2O3颗粒的长度达到200 ～300μm，基体成分主要为Fe。

图7 为沿冷镦零件边部环周的细微裂纹形貌照片，由图中可知冷镦零件样中的细微裂纹主要分布在近表层处，且裂纹分布在距离边部约1.4mm 的范围内。

对图7 中观察到的细微裂纹，沿裂纹方向夹杂物缺陷的能谱（EDS）分析如图8 所示。能谱分析表明，这些夹杂物缺陷的成分主要仍为Al、O、 Ca、Mg、Si、Ti、S，其中主要为Al2O3，且Al2O3颗粒的长度达到200 ～300μm，基体成分主要为Fe。由此可知，试样中的裂纹是沿着这些夹杂物缺陷进行扩展。