眾所周知，微量硼具有顯著提高淬透性的作用，加入微量的硼能在保證鋼淬透性的前提下可節(jié)約貴重金屬和稀缺合金元素（如Ni、Mo等）。通常認(rèn)為硼含量在0. 0005% ~ 0.0030%范圍時能顯著提高鋼的淬透性，但是硼含量過高會因硼相的析出而導(dǎo)致淬透性下降。目前，國內(nèi)外鋼材市場的不景氣，競爭激烈，許多鋼材廠家在各類鋼材中添加微量B元素以降低貴重金屬和稀缺合金元素使用量或使用含B廢鋼，從而控制生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力，尤其是近年我國對含B鋼增加出口退稅政策，加劇鋼廠對各類鋼添加B元素或使用含B廢鋼。
鋼廠添加B元素降低生產(chǎn)成本的同時，為使用廠家?guī)砹诵碌膯栴}，由于B含量較低屬于微量元素，鋼材廠家一般不會在鋼的化學(xué)成分中將B元素含量標(biāo)出，而對使用廠家來說通常不會將微量元素B作為化學(xué)成分入廠檢測的關(guān)注點(diǎn)，添加微量B后材料淬透性大大提高，材料淬透性變化較大時，工藝參數(shù)勢必需要及時調(diào)整，如不進(jìn)行調(diào)整會出現(xiàn)由于材料淬透性過高造成的淬火裂紋等問題。
1.概況
我公司長期使用40CrMn鋼制作輪轂，該鋼無B元素含量要求，化學(xué)成分含量如表1所示。輪轂粗加工示意如圖1所示，該輪轂工藝過程為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→涂裝，調(diào)質(zhì)硬度要求248～293HBW，金相組織為回火索氏體+鐵素體。
表1 40CrMn化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
C | Si | Mn | Cr | P | S | Cu | Ni |
0.37~0.45 | 0.17~0.37 | 0.90~1.70 | 0.90~1.20 | ≤0.035 | ≤0.035 | ≤0.030 | ≤0.030 |
該輪轂調(diào)質(zhì)淬火工藝參數(shù)為：840℃加熱淬火，保溫2h，回火溫度600℃，淬火油溫度控制在25～50℃，淬火時開動攪拌泵對淬火油進(jìn)行攪拌，以保證淬火效果，輪轂工藝參數(shù)如圖2所示。我公司常年使用該工藝參數(shù)對輪轂進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，硬度、金相組織等均合格，并且從未出現(xiàn)任何調(diào)質(zhì)淬火裂紋現(xiàn)象。2014年生產(chǎn)3批淬火輪轂，探傷突然發(fā)現(xiàn)大批量淬火裂紋現(xiàn)象（裂紋統(tǒng)計情況見表2），嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。
表2 輪轂裂紋情況統(tǒng)計
生產(chǎn)批次 | 裂紋數(shù)量/件 | 生產(chǎn)總數(shù)/件 |
1 | 39 | 84 |
2 | 34 | 42 |
3 | 38 | 53 |
2.裂紋原因分析
對裂紋輪轂進(jìn)行磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)裂紋均出現(xiàn)在同一位置，裂紋位置如圖3所示，裂紋沿工件外圓擴(kuò)展，最大處沿外圓處裂紋一周。
為分析裂紋宏觀形貌，沿裂紋輪轂縱向剖切，切取試塊，從宏觀上觀看裂紋形貌，如圖4所示。裂紋較為剛直，垂直向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋深度約為10mm，拋光試樣，觀看裂紋起始處、裂紋中段、及裂紋尾部形貌，如圖5所示。從圖4、5分析觀來看屬裂紋屬于較為典型的淬火裂紋特征。腐蝕裂紋處，查看裂紋處的金相組織，如圖6所示，從裂紋起始處、裂紋中段、及裂紋尾部金相組織中可以看出，裂紋處無較為明顯脫碳情況，屬于較為明顯的淬火裂紋。
圖6 裂紋開口處、裂紋中部及裂紋尾部的金相組織（400×）
通過上述分析我們對裂紋的三批次輪轂進(jìn)行分析。首先，我們核對相關(guān)生產(chǎn)記錄、工藝參數(shù)等，生產(chǎn)現(xiàn)場均按照工藝要求生產(chǎn)；隨后我們對熱處理加熱爐溫均勻性和淬火油的性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果均滿足要求。我們對三批次裂紋工件的化學(xué)成分進(jìn)行分析檢測并與前期正常檢驗(yàn)工件的化學(xué)成分進(jìn)行對比分析，檢測結(jié)果如表3所示，可以看出，前期生產(chǎn)正常輪轂的40CrMn材料中沒有B（B含量低于光譜儀檢測范圍，無法檢測出含量），而裂紋件均正常檢測出B含量，B含量在范圍在0.0004%～0.0006%。
表3 正常件及裂紋件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
批次 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Cu | B |
前期正常件 | 0.40 | 0.25 | 1.00 | 1.00 | 0.013 | 0.005 | 0.009 | — |
第一批裂紋 | 0.40 | 0.25 | 1.03 | 1.00 | 0.015 | 0.005 | 0.085 | 0.0006 |
第二批裂紋 | 0.39 | 0.21 | 1.02 | 0.99 | 0.020 | 0.008 | 0.010 | 0.0004 |
第三批裂紋 | 0.40 | 0.22 | 1.01 | 1.01 | 0.016 | 0.005 | 0.009 | 0.0004 |
B具有極強(qiáng)提高淬透性的能力，0.0010％～0.0030％硼的作用可分別相當(dāng)于0.6％錳、0.7％鉻、0.5％鉬和1.5％鎳，因此其提高淬透性的能力為上述合金元素的幾百倍乃至上千倍，故此只需極少量硼即可節(jié)約大量的貴重合金元素。本次使用40CrMn中檢測出0.0004%-0.0006%的微量硼，該40CrMn在增加B元素的同時，其它合金元素（如Cr、Mn等）的含量沒有太大變化，材料的淬透性大大提高，造成本次淬火裂紋的發(fā)生。
通過上述分析，可初步判定原材料中B元素添加是造成輪轂淬火裂紋的直接原因，為進(jìn)一步驗(yàn)證我們的判斷，我們對不含B的普通40CrMn鋼和含B量為0.0006%的40CrMn鋼分別制取端淬試樣，兩種試樣化學(xué)成分如表4。對兩種試樣880℃的淬透性進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖7所示，從圖7可以看出在其他化學(xué)成分基本相當(dāng)?shù)那闆r下，含B的40CrMn淬透性明顯高于不含B的40CrMn。
表4 兩種試樣化學(xué)成分對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
批次 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Cu | B |
不含B | 0.40 | 0.25 | 1.00 | 1.00 | 0.013 | 0.005 | 0.009 | — |
含B | 0.40 | 0.22 | 1.01 | 1.01 | 0.016 | 0.005 | 0.009 | 0.0006 |
3.改善措施
針對上述情況，我公司通過與鋼廠溝通協(xié)調(diào)，將采購含B的40CrMn全部替換為不含B的40CrMn，使用不含B的40CrMn鋼后，淬火裂紋問題消除。對于已生產(chǎn)的含B的40CrMn輪轂，我公司通過工藝實(shí)驗(yàn)，將淬火溫度降低至830℃，并且淬火時不攪拌淬火油，淬火裂紋問題同樣消除。對兩種輪轂剖檢結(jié)果顯示，調(diào)質(zhì)的淬火硬度、金相組織等均合格，滿足圖樣要求。
通過本公司的這次經(jīng)驗(yàn)顯示，微量的B元素對40CrMn鋼的淬透性影響較大，鋼廠生產(chǎn)的鋼材中如果添加B元素或使用含B的廢鋼致使成品鋼中含有有效B時，需將B元素的含量在化學(xué)成分中標(biāo)出或以其他方式告知鋼材使用廠家，以免由于微量B元素對淬透性的提高，造成材料淬透性的變化，對使用廠家造成經(jīng)濟(jì)損失。
作者：王孟、谷浩鵬、李炎、王忠
單位：山推工程機(jī)械股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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