45Mn2钢是中碳钢,该钢的强度、耐磨性和淬透性均较好[1－3],一般用于制造在较高应力与磨损条件下工作的零件,如磨擦盘、车轴、蜗杆、齿轮、重载荷机架以及冷拉状态中的螺栓等。某45Mn2钢圆坯在加工成圆管时,在检验过程中发现钢管表面存在裂纹,钢管加工流程为：原料检验→下料→加热→穿孔→连轧→张力减径→检验→热处理→表面化处理→矫直→无损检测→台检→标识、称重→打包、入库。笔者采用一系列理化检验方法,查明了钢管表面裂纹产生的原因,并提出了改进措施,以避免该类缺陷再次产生。
1. 理化检验1.1 宏观观察在生产过程中,发现45Mn2钢圆坯加工成圆管后,表面存在裂纹,开裂钢管的宏观形貌如图1所示。由图1可知：在进行试样加工时,缺陷处部分金属分离脱落；开裂位置位于管外壁,与基体明显分离。
图 1 开裂钢管宏观形貌
1.2 化学成分分析在开裂钢管上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：试样的化学成分符合45Mn2钢的技术协议要求。
Table 1. 开裂钢管的化学成分分析结果
项目
质量分数
C
Si
Mn
P
S
Al
实测值
0.43～0.48
0.20～0.35
1.50～1.70
≤0.015
≤0.010
0.010～0.035
技术协议
0.43～0.48
0.17～0.35
1.5～1.7
≤0.020
≤0.010
0.010～0.035
1.3 微观分析在钢管开裂处截取金相试样,将试样进行磨制、抛光处理,然后将试样置于光学显微镜下观察,结果如图2所示。由图2可知：试样的裂纹处及周围未见夹杂物。
图 2 试样的抛光态形貌
将试样用4%(体积分数)硝酸乙醇溶液腐蚀,然后将试样置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知：开裂处基体组织与异常金属处组织存在明显差异,基体组织与异常处接触边缘存在明显脱碳现象,与钢管表面脱碳情况一致,开裂处金属边缘未见脱碳现象；试样基体表面均存在脱碳现象,组织为珠光体和网状铁素体,异常金属处组织为珠光体＋颗粒状碳化物。
图 3 开裂钢管的显微组织形貌
利用扫描电镜对金相试样异常金属处进行分析,结果如图4所示。由图4可知：钢管异常金属处未见明显脱碳现象。
图 4 开裂钢管异常金属处的SEM形貌
1.4 电子探针显微分析对钢管基体和异常金属进行电子探针显微分析,结果如表2所示。由表2可知：钢管基体和异常金属中C、Mn、Cr、Mo等元素含量有明显区别；异常金属中C元素含量高,质量分数约为0.65%,Mn元素含量低,质量分数低于1%,Cr元素的质量分数为0.54%～0.64%,且异常金属中含有少量的Mo元素；钢管基体中C元素的质量分数约为0.45%,Mn元素的质量分数约为1.7%,未见Cr元素和Mo元素。
Table 2. 钢管基体和异常金属电子探针显微分析结果
元素
质量分数
基体
异常金属
Si
0.20,0.22,0.20
0.21,0.21,0.20
Mo
0.00,0.00,0.00
0.01,0.02,0.02
Cr
0.08,0.10,0.07
0.57,0.54,0.64
Mn
1.65,1.81,1.69
0.85,0.86,0.96
Fe
97.69,97.13,97.60
97.01,97.24,97.10
Cu
0.05,0.07,0.07
0.06,0.04,0.01
基体C元素定量分析结果如图5所示,异常金属处C元素定量分析结果如图6所示。由图5,6可知：基体表面存在深度约为0.15 mm的脱碳层,异常金属处未见明显脱碳现象。
图 5 基体C元素定量分析结果
图 6 异常金属处C元素定量分析结果
2. 综合分析由宏观观察结果可知,异常金属与基体呈分离状,未见融合现象。表明在受外力压入的作用下,钢管磨削时异常金属脱落。由金相检验结果可知,钢管开裂处未见夹杂物,异常金属处组织与基体组织明显不同,异常金属处组织珠光体含量高,为高碳钢组织[4]。同时,开裂处基体侧存在脱碳现象,与钢管表面脱碳情况一致,而异常金属处未见脱碳现象,表明开裂处与基体的组织结构不同。电子探针显微分析结果显示,异常金属的C元素质量分数为0.65%,基体的化学成分未见异常,表明异常金属与基体的材料不同。
3. 结论在对钢管试样进行磨削时,异常金属自行脱落,与基体呈分离状,且异常金属与基体组织不同,两者的化学成分中C、Mn、Cr等元素存在明显差异,说明外来金属异常压入导致钢管表面产生裂纹。
文章来源——材料与测试网
