D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2013.03.005 第35卷第3期 北京科技大学学报 Voi.35 No.3 2013年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,2013 20Mn2车桥管推方裂缺陷研究 张立强1,2)，包燕平)☒，王敏1)，李怡宏1)，林路) 1)北京科技人学治金与生念工程学院，北京1000832)安徽工业人学治金与资源学院，马鞍山243002 区通f信作齐，E-mail:baoyp@ustb,edu.cn 摘要为了探}20M2车桥管在加工过程中产生推方裂缺附的原内，借助光学显微镜、扫描电子显微镜、礼氮分析 仪等测试于段，研究了推方裂的影响因素和形成机理.结果表明裂纹均现在冷推方后的方管角部，缺陷试样氮的质量 分数达70×10一8以上，在裂纹试样低倍红织中发现上贝氏体组织，裂纹处有钢中夹杂物存在.通过降低钢液增氮、提高 淬火冷速以及减少钢中火杂物，可以有效减少推方裂的产生， 关键词结构钢：裂纹：夹杂物：氮元素；贝氏体 分类号TF762+.3 Study on 20Mn2 axle crack defects during rolling round pipes to square pipes ZHANG Li-giang2),BAO Yan-ping),WANG Min),LI Yi-hong),LIN Lu) 1)Schooi of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgy and Resources,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China Corresponding author,E-mail:baoypustb.edu.cn ABSTRACT To find out the origin of 20Mn2 axle crack defects during rolling round pipes to square pipes,the formation mechanism and influencing factors of the crack defects were studied by optical microscopy,scanning electron microscopy,and O/N automatic analyzer.It is shown that cracks all appear at the corners of square pipes,where the mass fraction of nitrogen is more than 70x10-6.Upper bainite is found in the microstructure of cracked specimens and there are non-metal inclusions at the cracks.The crack defects can be effectively decreased through reducing the nitrogen content of liquid steel,enhancing the cooling speed of quenching,reducing inclusions in the steel. KEY WORDS structural steel;cracks;inclusions;nitrogen;bainite 20Mn2钢属」低碳合金结构钢，厂泛用于制造 黄重国等3！研究了20Mn2车轴使用后疲劳失效的 重型截货车的零部件四.传统的半挂车后桥采用三 机理，但日前对该钢种冷加上变形及热处理时出现 段式焊接生产上艺，即用25mm左右的钢板弯成 的推方裂现象的成因，前人还没有系统研究.木文 方管后，两头冉焊接轴头，工艺复杂且焊接缺陷较 从化学成分、钢中夹杂物和低倍组织等方面进行分 多.整体式车桥管突破传统的分段式加工工艺，与 析，查找产生此类缺陷的原因，为生产提供理论 焊接式车桥相比，其有质轻、刚性好、承载能力 依据. 强等优点四，既节约了钢铁原材料，又降低了加工 成本，属于低碳环保型产品.但是，在圆管的冷推 1实验材料及方法 方和热处理过程易出现角部裂纹（简称“推方裂”），1.1实验材料 某厂生产的20M2管材在下游用户加工过程中，出 某厂20Mn2实验钢种控制成分范用见表1.由 现多例推方裂缺陷，严重影响了产品成材率.赵健 表1可知，该钢种Mn质量分数达1.50%1.65%， 明等研究了20M2钢管调质时轴头断裂的成因， 经Factsage软件计算，通过与标准铁碳相图对比， 收稿日期：2011-12-10 基金顶目：国家白然科学基金资助项H(⑤1074019)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 入 车桥管推方裂缺陷研究 张立强喇包燕平 网王 敏 ‘李怡宏 ‘林 路 ‘ 北京科技人学冶金 与生态 程学院北京 安徽工业人学冶金 与资源学院 困 通信作 者 一 卜 · 今鞍 一一 摘 要 为 了探 子 车桥管在加工过程中产生推方裂缺陷的原因借助光学撇微镜 、扫描 电子显微镜 、执氮分析 仪等测 试手段 拟究 了推方裂的影响因素和形成机理 结果表明裂纹均出现在冷推方后的方管角部缺陷试样氮的质量 分数达 一“ 以 卜在裂纹试样低倍组织中发现上贝氏体组织裂纹处有钢中夹杂物存在 通过降低钢液增氮 、提 高 淬火冷速 以及减少钢 中夹杂物可以有效减少推方裂的产生 关键词 结构钢 裂纹 夹杂物 氮元素 贝氏体 分类号 十 注万‘ 五乞一 夕 刀几。 儿 一尸乞夕 困 恻 万‘ 从 石 一人 夕 五脚 石。 入 盯 困 一 忍 一。一 一 钢属 飞低碳合金结构钢 厂一泛用 制造 重型载货车的零部件 传统的半挂车后桥采用三 段式焊接生产 卜艺 即用 左右 的钢板弯成 方管后 两 头冉焊接轴头 「艺复杂且焊接缺 陷较 多 蔡体式 车桥管突破传统的分段式加工工艺 与 焊接式车桥相 比具有质 最轻 、刚性好 、承载 能力 强等优 点 既 节约 了钢铁原材 料 又降低 了加 成本属 几低碳环保刑产习 但是在 圆管的冷推 方和热处理过程易 出现 角部裂纹 简称 “推方裂’ 某厂生产的 管材在下游用户加 几过程 中出 现 多例推方裂缺 陷 严重影响 了产 品成材率 赵健 明等 ‘研究 了 钢管调质 日」·轴 头断裂 的成 因 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家 白然科学基金资助项 目 黄重国等 研究 了 车轴使用后疲 劳失效的 机理 但 日前对该钢种冷加 变形及热处理时出现 的推方裂现象的成因前人还没有 系统研 究 木文 从化学成分 、钢 中夹杂物和低倍组织等方面进行分 析 查 找产 生此 类缺 陷的原 因 为生产提供 理 沦 依据 实验材料 及方 法 实验材料 某厂 实验钢种控制成分 范围见表 由 表 可知 该钢种 质 量分数达 、 经 软件计算 通过与标准铁碳相 图对 比 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2013．03．005
·298 北京科技大学学报 第35卷 发现锰固溶于铁素体和奥氏体使临界温度A4点 管定尺切头、管头部加热、轴头缩径、轴头二次加 从1394升高到1423℃，A3点从912降低到 热、轴头二次缩径、管中间冷推方、管整体加热至 858℃，a+Y区下移，扩大奥氏体区，见图1.钢 870℃保温1h、淬火、加热至(600土士20)℃保温4 中锰使钢的调质组织均匀、细化，避免了渗碳层中 h、回火空冷、喷漆、检验以及包装入库. 碳化物的聚集成块，调质处理后具有较好的耐磨性 推方的过程就是圆管在推方机中，一方面受到 和强韧性，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾 轴向的推动力，使其不断进入推方槽中：另一方面， 向 进入推方槽后的圆管四个方向受到辊子的压力，产 1.2工艺原理与实验方法 生塑性变形，加工成为带有圆角的方管.推方前和 1.2.1工艺原理 推方后示意图见图2.图2中1、2、3和4为推方机 整体式车桥管中间为方形以载放车斗，两头为 四组辊子，图2(a)和2b)中5分别为推方前圆管 圆形以安装轴承，轴头部位较中间轴身厚度加厚， 和推方后方管. 增强轴头的力学性能.车桥管的加工工艺流程为圆 表120Mn2钢种成分控制范围（质量分数） Table 1 Controlling range of chemical composition of 20Mn2 steel C Mn Si P Cr Ni Cu Al Mo 0.190.24 1.501.65 0.170.37 ≤0.025 ≤0.015 ≤0.30 ≤0.30 ≤0.20 ≥0.015 ≤0.10 Bctig Guctiug' 1600 1600: I+6 (e) L+6 (b) 1500 1500 1400423℃ 1400 Lt 1394℃ L+1 1300 1300 P1200 1200 型1100 100 1000 1000 900生858℃ 900 12℃ 800 800 0+ a+y 700 700 600 0.004 0.0080.0120.016 0.020 600 0 0.0040.0080.0120.0160.020 C的质量分数/% C的质量分数/% 图120Mn2铁碳相图(a)和标准铁碳相图(b) Fig.1 Iron-carbon phase diagram of 20Mn2 steel (a)and standardized iron-carbon phase diagram (b) (a) (b) 图2推方前(a)和推方后(b)示意图 Fig.2 Schematic diagram before (a)and after(b)rolling to square 1.2.2检测方法 切割将缺陷试样从试件上切下，规格为20m×20 将试样采用线切割方式制成Φ5mm×10mm的 mm×20mm,将上述切割试样用内酮溶液在超声 规格，使用德国ONH-2000氧氮分析仪进行氮含量 波清洗机中清洗5~l0min,磨制、抛光后，采用 测定.仪器在惰性气筑下，通过脉冲加热分解试 4%硝酸酒乙醇溶液侵蚀抛光10s,清洗、干燥，采 样，由热导检测器测定试样中的氮的含量.采用线 用DM4000M莱卡金相显微镜进行观察并拍摄照片
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 发现锰 固溶 几铁素体和 奥 氏体使 临界温 度 点 从 升 高到 点从 降低 到 ℃ 区下移 扩大奥 氏体区见图 钢 中锰使钢的调质组织均匀 、细化 避免了渗碳层 中 碳化物的聚集成块 调质处理后具有较好的耐磨性 和强韧性 但增大 了钢 的过热敏感性和回火脆性倾 向 工艺原理 与实验方法 工艺原理 整体式车桥管中间为方形以载放车斗两头为 圆形 以安装轴承 轴 头部位较 中间轴 身厚度加厚 增强轴头的力学性能 车桥管的加 仁工艺流程为圆 管定尺切头、管头部加热 、轴头缩径、轴头二次加 热 、轴头 二次缩径、管中间冷推方 、管整体加热至 保温 、淬火、加热至 士 保温 、回火空冷 、喷漆 、检验 以及包装入库 推方的过程就是圆管在推方机 中一方面受到 轴 向的推动力 使其不断进入推方槽 中 另一方面 进入推方槽后的圆管四个方 向受到辊子 的压力产 生塑性变形加 成为带有 圆角的方管 推方前和 推方后示意图见图 图 中 、 、 和 为推方机 四组辊子图 和 中 分别为推方前圆管 和推方后方管 表 钢种成分控制范围 质量分数 妞 、 、 、 召 蕊 簇 簇 召 毛 蕊 蕊 喊细’ 入 今 地 示 芬井之石 户一 一 、 协一 二 二 火 侧明沪 耀饭吻︸ 侧蛆护 乃 的质量分数 刀 刀 的质量分数 刃日八曰︵︸以跳战叮从晰 图 铁碳相图 和标准铁碳相图 一 祀 一 铭 图 推方前 和推方后 示意图 检测方法 将试样采用线切割方式制成 中 的 规格 使用德 国 一 氧氮分析仪进行氮含量 测 定 仪 器在惰 性 气 氛下 通 过脉冲加 热 分解 试 样 由热导检测器测 定试样 中的氮 的含景 采 用线 切割将缺 陷试样 从试件上切 下 规格 为 将上述切 割试样用丙酮溶液在超 声 波清洗机 中清洗 磨制 、抛 光后 采用 石肖酸酒 乙醇溶液侵蚀抛光 。清洗 、干燥 采 用 莱 卜金相显微镜进 行观察并拍摄照少仁
第3期 张立强等：20Mn2车桥管推方裂缺陷研究 ,299· 将上述切割试样采用美国JSM-6480LV扫描电镜及 所示.正常样中氮的质量分数为61×10~6；而推方 Noran System Six能谱仪进行夹杂物检测分析. 裂样品氮含量普遍较高，最高达到89×10一6，超出 正常样45.9%，平均达79.7×10-6，超出正常样31%. 2实验结果及分析 2.1现场实验裂纹 钢管在加工工艺中从钢管冷推方至回火空冷 以后，这一过程中在试件上产生的裂纹统称为推方 三60 裂.图3为推方裂试件.由图可知，推方裂的裂纹均 处在方管角部，裂纹中心部位处于方管角部外沿， 由弧形区延伸至平面区，裂纹长度较长，达2050 0 mm,深度达到2~4mm. 推方裂纹 正常样 推方裂样1推方裂样2推方裂样3 试样 图4推方裂样与正常样氮含量对比 Fig.4 Comparison of nitrogen content between cracked spec- imens and normal pipes 20 mm 2.2.2低倍组织 在光学显微镜下观察发现，推方前的无缝钢管 图3推方裂 试样低倍组织为珠光体和铁素体，有推方裂缺陷的 Fig.3 Cracks during rolling to square 成品试样低倍组织中晶粒较为粗大，在200倍和 2.2实验检测结果 500倍下都以明显地观察到沿奥氏体晶界形核以 2.2.1化学成分 及向晶粒内部生长的羽毛状上贝氏体组织，说明在 对推方裂样品与正常样进行管材取样，采用热 推方后热处理过程中产生了上贝氏体组织，如图5 导法经氧氮分析仪检测样品中氮含量，结果如图4 所示. 50m 20 um 图5推方裂试样(a,c)与热处理前正常管试样(b,d)的显微组织 Fig.5 Microstructures of cracked pipes (a,c)and normal pipes(b,d)before heat treatment
第 期 张立强等 车桥管推方裂缺陷研究 · · 将上述切割试样采用美国 一 扫描 电镜及 能谱仪进行夹杂物检测分析 实验结果 及分析 现场实验裂纹 钢 管 在加 工工艺 中从钢 管冷推方至 回火空冷 以后 这 一过程 中在试件上产生的裂纹统称为推方 裂 图 为推方裂试件 由图可知推方裂的裂纹均 处在方管 角部 裂纹 中心部位处于方管角部外沿 由弧形区延伸至平面区 裂纹长度较长 达 、 深度达 到 、 所示 正常样 中氮 的质量分数为 一“ 而推方 裂样 品氮含量普遍较高 最高达到 一超 出 正常样 平均达 一“超 出正常样 一卜麟 燕令属叫妈。 正常样 推方裂样 推方裂样 推方裂样 试样 图 推方裂样与正常样氮含量对 比 · 图 推方裂 实验检测结果 化学成分 对推方裂样 品一与正常样进行管材取样 采用热 导法经氧氮分析仪检测样品中氮含量 结果如图 低倍组织 在光学显微镜下观察发现 推方前的无缝钢管 试样低倍组织为珠光体和铁素体 有推方裂缺 陷的 成 品试样低倍组织 中晶粒较为粗大 在 倍和 倍下都 可以明显地观察到沿奥氏体晶界形核 以 及 向晶粒 内部生长 的羽毛状上贝氏体组织 说 明在 推方后热处理过程 中产生 了上 贝氏体组织 如 图 所 示 图 推方裂试样 与热处理前正常管试样 的显微组织
·300 北京科技大学学报 第35卷 2.2.3钢中夹杂物 铝的脱氧产物A2O3,未来得及上浮，滞留钢中， 将推方裂试样在扫描电镜下观测，发现裂纹 如图6(a):一部分为卷渣造成，因渣中含有K碱 处有夹杂物存在.检测结果显示裂纹内有Al、C、金属，所以可以确定为结晶器保护渣成分，如图 Si、Mg和lCa的氧化物，见图6.其中一部分为 6(b). 2000上 1500 粉 1000 葉 5000 Ti Fe 0 0 2 468101214 E/keV (b) 800 600 i A OM Ca 400 Fe 200 0 0 2 4 68101214 0 E/keV 图6扫描电镜检测结果.(a)氧化铝夹杂物：(b)含有碱金属的夹杂物 Fig.6 SEM images and EDS spectra:(a)inclusions of aluminum oxide;(b)inclusions of slag including alkali metals 2.3 讨论 避免出现推方裂，20M2钢种中氮的质量分数应该 2.3.1成分分析 控制在内控标准65×10-6以内. ·般情况下氨的危害主要表现在Fe4N的析出 2.3.2组织分析 导致钢的时效性和兰脆，降低钢的韧性和塑性.此 在推方裂试样中发现了上贝氏体组织，而上贝 外，氨还与钢中钛、硼、钒、铝等元素形成氨化物夹 氏体组织中脆性的F3C分布于铁素体条间，呈线 杂使钢的性能降低，表面和内在质量恶化.20Mn2 状，较粗大，造成脆性通道，界面处易萌生傲裂纹并 为含铝钢，钢中的铝可以与氮结合形成带棱角而性 迅速传播，在冷加工变形时易造成裂纹、断裂.上 脆的夹杂物，也不利钢的冷、热变形加工4-6.李 贝氏体由彼此平行的铁素体条构成，似一个品粒， 蜂7)在包钢U71M如钢种研究中发现，钢中氮的有效晶粒直径较大，降低了材料的冲击韧性，也易 质量分数由54×10-6上升至94×10-6时，该钢种 造成加工时裂纹或断裂的发生. 断裂韧性由34.738.1MPam0.5降至28.1~31.9 奥氏体细小晶粒在Ac3温度以上，由长大、接 MPam0.5,街坯氨含量与断裂韧性相关系数达到触和合并三种形式转变为粗大的奥氏体晶粒⑧).在 0.92.高品质钢种对氮的控制要求越来越严格，IF淬火时由于冷速不够，形成类似中温保温的温度条 钢中氮的质母分数一般控制在20×10-6以下，一 件，上贝氏体沿奥氏体晶粒向晶粒内部生长，形成 般纯净钢治炼中氮的质量分数标准控制在50×10-6上贝氏体组织.具体过程见示意图7.上贝氏体产生 ~65×106.20Mn2钢中正常样中氯的质量分数 的条件为过冷奥氏体在中温(350~550℃)保温一定 在60×10-6左石，三个推方裂试样中氮的质量分 时间.因此，在淬火过程中，避免在上贝氏体形成 数均超过70×10-6，氮含量与裂纹几率具有正相关 温度范围内出现缓冷或保温现象，加快冷速，避免 性.可以得出，氨含量过高会促使推方裂的产生，为 上贝氏体的产生，是减少推方裂的有效途径.另外
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 钢“火杂物 将 推 方裂 试样 在扫 描 电镜 下观测 发现 裂纹 处 有火杂物 存在 检测结果显示裂纹 内有 、 、 、 只和 、的城化物 见图 其中一部分为 铝的脱缄产物 未来得及上浮 滞 留钢 中 如图 一部分为卷渣造成 因渣 中含有 碱 金属 所 以 可以确定为结 晶器保护渣 成 分 如图 〔 沮 赵拓扭票︶︵ 曰妞刀 ︸曰口八曰︺ 彰十侧︸葱︶︵ 图 扫描电镜检测结果 氧化铝夹杂物 含有碱金属的夹杂物 入 川 讨 论 · 成分分析 一般寸’况 卜氮 的危害主要表现在 的析 出 泞致钢的时效性和 兰脆 降低钢 的韧性和塑性 此 外氮还 ‘钢中认 、硼 、钒 、铝等元素形成氮化物夹 杂使钢的性 能 降低 表面和 内在质量恶化 为含招 冈全冈中的针 可以 ’。氮结合形成带棱角 性 脆的 火杂物 也不利 几钢 的冷 、热变形加 “一 李 峰 日 扩包钢 钢种研 究 中发现 钢 中氮 的 贡 卜分数门 又 一“ 上升至 一 日寸该钢种 打裂 习卜 一 入 · 降至 一 入 ·‘’马 铸坯 氮 含 袱 ’断裂韧 性 相 关 系数达 到 高 ’质钢种 对氮 的控 制要求越来越严格 钢 氮 的质 一分数 一般控 制在 一“ 以下 一 般纯汀昨冈冶炼 “氮的质 最分数标准控制在 一“ 一 火 一〔‘ 钢 中正常样 中氮 的质 最分数 在 又 一“ 左右 二个推 方裂试样 中氮 的质 最分 数均超过 一‘氮含军 ’裂纹 几率具有 正相关 川 可以得出氮 含 歇过 高会促使推方裂的产生 为 避 免出现推方裂 钢种 中氮 的质 最分数应该 控制在内控标准 一“ 以内 组织分析 在推方裂试样 中发现 了上 贝氏体组织 上 贝 氏体组织 中脆性的 分布 ’铁素体条间 呈线 状 较粗大造成脆性通道 界面处易萌生微裂纹并 迅速传播 在冷加工变形时易造成裂纹 、断裂 上 贝氏体 由彼此平行的铁素体条构成 似一个晶粒 有效晶粒 直径较大 降低 了材料的冲击韧性 也易 造成加 时裂纹或断裂的发生 奥氏体细小晶粒在 温度 以上 由 长大、接 触 和合并二种形式转变 为粗 大 的奥 氏体 晶粒 在 淬火时 由 几冷速 不够 形成类似 中温 保温 的温度 条 件 上 贝氏体沿奥 氏体 晶粒 向晶粒 内部生 长形成 上 贝氏体组织 具体过程 见示意 图 上 贝氏体产生 的条件为过冷奥 氏体在中温 、 ℃ 保温一定 时间 因此 在淬火过程 中 避 免在上 贝氏体 形成 温度 范围 内出现缓冷或保温现象 加快冷速 避 免 上 贝氏体的产生 是减少推方裂的有 效途 径 另外
第3期 张立强等：20M2车桥管推方裂缺陷研究 ,301. 在[艺操作过程中，在(600吐20)℃问火4h,如果 织；，是拉应力超过了此时钢的抗拉强度.钢中 温度出现误差较大、加热炉内温度不均匀等均会出 存在脆性组织时，淬火时即使没有立即产生裂纹， 现中温保流的可能性，形成上贝氏体组织，为此应 在「件没有及时同火的情况下，内热应力过高，也 该将问火温度提高为(610士10)℃，合理避免上贝 冇能产生置裂 氏体形成温度：定期对加热炉进行检修，防山炉内 2.3.3夹杂物分析 温度不均匀. 氧化铝和钙铝酸盐夹杂为脆性不变形夹杂物， 上贝氏体中铁素体旱长粗条状并列，脆性的 与基体的热变形能力差异较大，当试样受到热应力 Fe3C在铁素体片之间析出并沿着铁素体方向分布， 或机械应力时，大块的脆性不变形夹杂物被破碎成 在淬火过程中或机械受力过程中，产生局部应力集 小块，朵链状分布.这些坚硬的形状不规则的夹杂 中时，当局部应力大于钢种基体的抗拉强度，在上 能将基体划伤，尖锐的Al2O3在夹杂周围产生应力 贝氏体脆性处产生微裂纹9-10.微裂纹作为裂纹 集中场：钙铝酸盐'基体脱开形成孔洞.夹杂物的 源，在材料继续受力时极易在裂纹源处沿裂纹方向 翔性和硬度与钢基体存在差异，夹杂物附近形成的 迅速扩大，形成宏观裂纹，其体过程见示意图8. 孔洞成为夹杂物与钢基体的过渡层12-13，因此在 钢管发生变形时，这些夹杂物成为裂纹的起点，在 过渡层形成裂纹源，当受力超过一定范围时，沿裂 长大/接触 上贝形成 纹源产生微小裂纹，在外力作用下迅速扩张，形成 /合并 宏观裂纹14-16).链状分布的夹杂物链条越长，链中 常温 加热保温 A12O3颗粒越多、间距越小，越容易形成裂纹 脆性通道 推方时，钢管在变形过程中在逐渐形成并扩大 裂纹源 产生裂纹 的四个平面上承受指向内部的压应力.角部内没有 与轧辊直接接触，受力较为特殊，管的外缘受到拉 应力，内缘受到压应力，越接近内表面压应力越大， 淬火缓冷 应力集中 越接近外表面拉应力越大，且角部为应力集中区， 图7奥氏体长大和上贝氏体形成示意图 受力比四个面受力都大，因此角部为裂纹易发部位 Fig.7 Sketch map of austenite growth and upper bainite for- 其体受力见图9.当夹杂物位于角部接近外缘时，推 mation 方过程中，在角部弧形区即应力集中区夹杂物与基 体发生分离，在拉应力作用下，夹杂物处形成拉裂 裂纹 2,4改进措施 微裂纹 (1)对大多数钢而言，氮是一种有害元素，它 局部放大 可使钢材产生时效硬化，使钢的塑性和冲击韧性降 低，且与磷一样能引起钢的冷脆.N在钢中含量过 高，降低钢的力学性能，使钢的脆性增加，容易产 生裂纹.因此，控制合理的氮含量，在治炼过程中 裂纹 防：或减少增氨，将氮的质量分数控制在65×10-6 上贝氏体淬火时产生内应力F继续受力 以内，是减少推方裂的途径之一. 图8上贝氏体裂纹产生机理 (②)淬火时冷速低，造成类似等温淬火的贝氏 体形成条件，形成上贝氏体.淬火时保温时间过长， Fig.8 Formation mechanism of cracks in upper bainite 使奥氏体晶粒过于长大，致使晶粒较为粗大.研究 零件在热处理过程中会产生很大的内应 发现，在高温淬火时冷却速度缓慢，容易在钢中 力一组织应力和热应力，当这些应力超过钢 造成不可逆的脆化组织，随着冷速的减慢，冲击韧 的屈服强度时，会引起零件的变形，当应力更大， 性急剧下降.内此改善淬火.艺，避免出现350 超过钢的抗拉强度时，则会造成零件的开裂.淬火 550℃中温保温，提高淬火冷速，增加淬火水中 时形成的拉应力是引起淬火裂纹的主要原内.形成 NaCl浓度，采取措施促进淬火水槽内水的冷却，淬 淬火裂纹需具备两个条件：一是钢中具有脆性组 火后及时回火，减少温度应力，改善低倍组织.另
第 期 张立强等 车桥管推方裂缺陷研究 · · 在 「艺操作过程中在 土 ℃回火 如果 温度 出现误 差较大 、加热炉 内温度不均匀等均会 出 现 中温 保温 的可能性 形成上 贝氏体组织 为此应 该将回火温度提高为 士 ℃合理避免上贝 氏体形成温度 定期对加热炉进行检修 防 炉 内 温度不均匀 上 贝氏体 中铁 素体呈长粗 条状并列 脆性 的 在铁素体片之 间析出并沿着铁素体方 向分布 在淬火过程 中或机械受力过程 中产生局部应力集 中时当局部应 力大一’钢种基体的抗拉强度 在上 贝氏体脆性 处产 生微裂纹 ”一’ 微裂纹作为裂纹 源 在材料继续受力时极易在裂纹源处沿裂纹方 向 迅速扩大 形成宏观裂纹 具体过程见示意 图 加热保温 性通道 应力集中 图 奥氏体长大和上贝氏体形成不意图 掀 嘴簇爵、 瞥嚼 微 裂纹 观 纹 上贝氏体 淬火时产生内应力 继续受力 图 卜贝氏体裂纹产生机理 零 件 在 热 处 理 过 程 中 会 产 生 很 大 的 内 应 力 － 组 织 应 力 和热 应 力 当这 些 应 力超 过 钢 的屈服强度 时 会 引起 零件 的变 形 当应力更大 超过钢 的抗拉强度 时 则会造成零件 的开裂 淬火 时形成 的拉应力是 引起 淬火裂纹 的主要原 因 形成 淬 火 裂纹 需具 备 两个 条件 一是钢 中具有脆 性 组 织 飞是拉应力超过 了此时钢的抗拉强度口 钢 中 存在脆性组织时 淬火时即使没有立 即产生裂纹 在 卜件没有及时回火的情况下因热应力过高 也 有 可能产生置裂 夹杂物分析 氧化铝和钙铝酸盐夹杂为脆性不变形夹杂物 基体的热变形能力差异较大 当试样受到热应力 或机械应力时大块 的脆性不变形夹杂物被破碎成 小块 呈链状分布 这些坚硬的形状不规则的夹杂 能将基体划伤 尖锐 的 在夹杂周围产生应力 集 中场 钙铝酸盐 基体脱开形成孔洞 夹杂物 的 塑性和硬度 钢基体存在差异 夹杂物附近形成 的 孔洞成为夹杂物 与钢基体的过渡层 一‘因此在 钢管发生变形时这些夹杂物成为裂纹的起 点在 过渡层形成裂纹源 当受力超过一定范围时沿裂 纹源产生微小裂纹 在外力作用下迅速扩张形成 宏观裂纹 一‘ 链状分布的夹杂物链条越长链中 颗粒越 多、间距越小越容易形成裂纹 推方时钢管在变形过程 中在逐渐形成并扩大 的四个平面上承受指 向内部的压应力 角部 因没有 与轧辊直接接触 受力较为特殊 管的外缘受到拉 应力内缘受到压应力越接近 内表面压应力越大 越接近 外表面拉应力越大且角部为应力集 中区 受力 比四个面受力都大 因此角部为裂纹 易发部位 具体受力见图 当夹杂物位于角部接近外缘时推 方过程中在角部弧形区即应力集中区夹杂物与基 体发生分离在拉应力作用下夹杂物处形成拉裂 裂纹 改进措施 对大 多数钢 言 氮是一种有害元素 它 可使钢材产生时效硬化 使钢的塑性和冲击韧性降 低 且一与磷一样能引起钢 的冷脆 在钢 中含量过 高 降低钢的力学性 能 使钢 的脆性增加 容易产 生裂纹 因此 控制合理 的氮含 量在冶炼过程 中 防 比或减少增氮 将氮 的质量分数控制在 一 以内是减少推方裂 的途 径之一 淬火时冷速低 造成类似等温淬火的贝氏 体形成条件 形成上 贝氏体 淬火时保温时间过长 使奥 氏体晶粒过于长大 致使晶粒较为粗大 研究 发现 在 高温淬火时冷却速度缓慢 容 易在钢 中 造成不 可逆的脆化组织 随着冷速 的减慢 冲击韧 性 急剧下 降 因此 改善淬火 艺 避 免 出现 ℃中温 保温 提 高淬火冷速 增加淬火水 中 浓度 采取措施促进淬火水槽 内水的冷却 淬 火后及时回火 减少温度应力改善低倍组织 另 净会
·302 北京科技大学学报 第35卷 外，钢管矫直过程中严格实行带水矫直，将回火温 修加热炉，防止产生上贝氏体组织，是减少推方裂 度控制在较窄温度范围内(610士10)℃)，并定期检 的重要途径. (a) (b) ANS 图9推方过程中角部及整体受力图.(a)角部受力示意图：(b)整体受力Asys有限元模拟 Fig.9 Stress picture of the corner and whole of a workpiece during rolling to square:(a)stress at the corner;(b)stress of the workpiece simulated by Ansys software (3)根据检测结果，查找钢中A1203的来源，尽 参考文献 量将铝脱氧时间前置，合理控制LF炉软吹时间，使 A山2O3有足够的时间上浮，优化中间包内型结构，提 [1]Zhao J M,Hu X.Fracture analysis of 20Mn2 steel tube 高钢水在中间包内的平均停留时间，促进夹杂物上 in quenching and tempering.Phys Test Chem Anal Part, 浮：防止钢水二次氧化而形成Al2O3,合理控制LF 2007,43(7):373 (赵健明，胡翔.20M2钢管调质时断裂原因分析.理化检 吹氩量，采用水口氩气保护等措施.对于结晶器卷 验：物理分册，2007,43(7)：373) 渣，多由表面钢水的波动严重、钢水偏流或保护渣 熔化不良引起，应该合理控制弯月面钢水的波动幅 [2]Dong H L,Huang C G,Yuan Q H,et al.Study on quenching-and-tempering process of XCQ16-1 axle steel. 度.通过优化浸入式水口的结构参数、拉坯速度和 Mater Sci Technol,2009,17(4):462 保护渣的黏度，合理控制结晶器液面波动，防止卷 (董红磊，黄重国，袁清华，等.XCQ161车桥用钢调质热 渣.经过在某厂现场试验，采取以上改进措施后，推 处理工艺的研究.材料科学与工艺，2009,17(4)：462) 方裂缺陷产生的几率得到明显降低 [3 Huang C G,Dong H L,Yuan Q H,et al.Microscopic 3结论 mechanism of XCQ16 and 20Mn2 axle steel fatigue fail- ure.J Univ Sci Technol Beijing,2009,31(8):988 (1)氨含量的增加降低了钢的塑性和冲击韧性， (黄重国，董红磊，袁请华，等.XCQ16和20Mn2车轴用 容易产生推方裂，生产中应合理控制钢水中氮含量， 钢疲劳失效的微观机理，北京科技大学学报，2009,31（⑧）： 防止和减少冶炼各个环节的增氮，氮的质量分数应 988) 控制在65×10-6以内 [4 Takeda K,Nakada N,Tsuchiyama T,et al.Effect of in- (2)热处理工艺不当，产生上贝氏体组织，易发 terstitial elements on hall-Petch coefficient of ferritic iron. ISIJ1mt,2008,48(8):1122 生淬火裂纹或置裂，生产中应提高淬火冷速，淬火 后及时回火，回火温度控制在(610士10)℃以改善 [5 Baik S C,Park S H,Kwon O,et al.Effects of nitrogen on the mechanical properties of cold rolled TRIP-aided steel 低倍组织，降低工件热应力 sheets.ISIJ Int,2006,46(4):599 (3)钢中夹杂物因与基体变形不一致，容易产 [6 Tsuchiyama T,Fujii Y,Terazawa Y,et al.Factors in- 生推方裂，生产中应合理控制钢水洁净度水平，铝 ducing intergranular fracture in nickel-free high nitrogen 脱氧前置，提高铝脱氧产物在钢中的上浮时间，改 austenitic stainless steel produced by solution nitriding. 善结晶器流场以减少卷渣. ISIJ Int,2008,48(6):861
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 外钢管矫直过程 中严格实行带水矫直 将回火温 度控制在较窄温度范围内 士 ℃ 并定期检 修加热炉防 产生上 贝氏体组织 是减少扣方裂 的重要途径 纵 卜。 图 推方过程中角部及整体受力图 角部受力不意图 整体受力 有限儿模拟 找 饰 根据检测结果杏找钢中 的来源 尽 量将铝脱氧 时间前置 合理控制 炉软吹时间使 有足够 的时间上浮 优化 中间包 内型结构 提 高钢水在中间包 内的平均停 留时间促进夹杂物上 浮 防止钢水 一次氧化而形成 合理控 制 吹氢量 采用水 口氛气保护等措施 对 于结晶器卷 渣 多 由表面钢水 的波动严重 、钢水偏流或保护渣 熔化不 良引起 应该合理控制弯月面钢水的波动幅 度 通过优 化浸 入式水 口的结构参数 、拉坯速度和 保护渣 的勃度 合理控制结晶器液面波动 防 比卷 渣 经过在某厂现场 试验 采取 以上改进措施后 推 方裂缺 陷产生的几率得到 明显 降低 参 考 文 献 结论 氮含 量的增加降低 了钢的塑性和冲击韧性 容易产生推方裂 生产 中应合理控制钢水中氮含量 防 和减少冶炼各个环节 的增氮 氮 的质量分数应 控制在 一 以内 热处理工艺不当产生上贝氏体组织 易发 生淬火裂纹或置裂 生产 中应提高淬火冷速 淬火 后及时回火 回火温 度控制在 士 以改善 低倍组织 降低 「件热应 力 钢中夹杂物 因与基体变形不一致 容 易产 生推方裂 生产 中应合理控制钢水洁净度水平 铝 脱氧前置 提 高铝脱氧产物在钢 中的上浮时间改 善 结 晶器流场 以减少卷渣 了 玉· 入 夕 赵健明胡翔 钢竹 调质时断裂原因分析 理化检 验 物理分册 丫 一 一 一 亡 几 董红磊黄重国袁清 华等 一 车桥用钢调质热 处理工艺的研究 材料科学 与工艺 人 · 流 ‘勺 几 二 。衫。夕 黄重国、董红磊袁清 华等 和 车轴 用 钢疲劳失效的微 观机理 北京科技 大学学报 一 氏 一 ·了了 艺 一 亡
第3期 张立强等：20Mn2车桥管推方裂缺陷研究 ,303· [7]Li F.Effect of nitrogen content on mechanical properties 形成/轧钢与锻造过程中的裂纹控制技术学术研讨会论文 of U71Mn high speed heavy rail steel.Spec Steel,2011, 集.沈阳，2007：42) 32(2:52 [13]Cheng M X,Gou G Q,Chen H.Study on the reason of (李峰.氨含量对U71Mn高速钢轨力学性能的影响.特殊 U75V rail's cracking.Electr Weld Mach,2010,40(10):66 钢，2011,32(2：52) (程梦晓，苟国庆，陈辉.U75V钢轨断件断裂原因分析.电 8]Hara T,Maruyama N,Shinohara Y,et al.Abnormal a to 焊机，2010,40(10)：66) transformation behavior of steels with a martensite and [14]Noroozi A H,Glinka G,Lambert S.A two parameter driv- bainite microstructure at a slow reheating rate.ISIJ Int, ing force for fatigue crack growth analysis.Int J Fatigue. 2009,49(11):1792 2005,27:1277 [9]Liu Z Y,Lin D W,Huang ZZ.Form and mechanical prop- [15]Wang X S,Liang F,Zeng Y P,et al.SEM in situ obser- erties of upper bainite in 55SiMnMo steel.South China vations to the effects of inclusions on initiation and prop- Inst Technol,1979,7(2):1 agation of the low cyclic fatigue crack in super strength (刘正义，林鼎文，黄振宗.55 SiMnMo钢的上贝氏体形态 steel.Acta Metall Sin,2005,41(12):1272 及其机械性能华南工学院学报，1979,7(2：1) (王习术，梁峰，曾燕屏，等.夹杂物对超高强度钢低周疲劳 [10]Liu Z C,Wang H Y,Duan B Y,et al.Nucleation and 裂纹萌生及扩展影响的原位观测.金属学报，2005,41(12小： growth of upper bainitic ferrite.J Iron Steel Res,2009, 1272) 21(2):28 (刘宗昌，王海燕，段宝玉，等.上贝氏体铁素体的形核及长 [16]Wang C,Zeng Y P,Xie X S.Influence of characteristic in- 大.钢铁研究学报，2009,21(2：28) clusion parameters on crack initiation and propagation in [11]Zhu G H,Zhan X L.Analysis and solution of cracks in ultra-high strength steels for aerospace application under part heat treatment.Mach Met Form,2004,55(8):75 tensile and low cyclic fatigue loading.J Univ Sci Technol (祝国华，战祥丽.零件热处理裂纹的分析与对策。机械工 Beijing,2009,31(5):557 (王冲，曾燕屏，谢锡善.拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物 人：热加工，2004,55(8)：75) [12 Yu H L,Liu X H.Analysis of inclusion deformation and 特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响 北京科技大学学报，2009,31(5)：557) crack generation during rolling with super-thin layer ele- ments by FEM//Academic Conference of Crack Control [17]Yang G,Wang C,Liu X Q,et al.Embrittlement mech- Technology in Rolling and Forging Process.Shenyang, anism due to slow cooling during quenching for M152 2007:42 martensitic heat resistant steel.J Iron Steel Res Int,2010, (喻海良，刘相华.有限元分析轧制过程中夹杂变形与裂纹 17(6):60
第 期 张立强等 车桥管推方裂缺陷研究 · · 【 罗 即亡 李峰 氮含量对 高速钢轨力学性能的影响 特殊 钢 【」 甲 绍 了了 爪 【」 凡 卜 卜 肠 汇介 爪‘ 刘正义林鼎文黄振宗 。钢的上贝氏体形态 及其机械性能 华南工学院学报 【 币℃几 及 刘宗昌王海燕段宝玉等 上贝氏体铁素体的形核及长 大 钢铁研究学报 【〕 材口 材 云 。 祝国华战祥丽 零件热处理裂纹的分析与对策 机械工 人 热加工 」 即 一 妙 。‘ 承 、沈 份 。云 几 四 夕 云几 八介 几 叨 乞 喻海 良刘相华 有限元分析轧制过程中夹杂变形与裂纹 〕 』 【』 【』 形成 轧钢与锻造过程中的裂纹控制技术学术研讨会论文 集 沈阳 · 程梦晓。苟国庆陈辉 钢轨断件断裂原因分析 电 焊机 朗 玩亡 红 牡气 叭厄 卜 朋 卜 昭 亡 亡 从。 王习术梁峰曾燕屏等 夹杂物对超高强度钢低周疲劳 裂纹萌生及扩展影响的原位观测 金属学报 叭厄 份 韶 咖 公” 云几 承呵 王冲曾燕屏谢锡善 拉伸与低周疲劳载荷作用下夹杂物 特征参数对航空用超高强度钢中裂纹萌生与扩展的影响 北京科技大学学报 丫五 协厄 而 几 亡 王 玄