汽车钢20CrNi3H主轴件缺陷分析与改进

任 飞，邢国成

(抚顺特殊钢股份有限公司 第一炼钢厂，辽宁 抚顺 113001)

20CrNi3H钢主要用于商用车变速箱主轴，对夹杂物、淬透性、晶粒度、内部组织致密性有较高的要求[1-2]。某公司通过工艺攻关，成功开发该品种，目前夹杂物、淬透性等质量已满足用户的使用要求，但用户在生产过程中产生一些质量缺陷，主要为主轴零件存在的中心孔洞缺陷导致的探伤不合格。用户采用楔横轧工艺生产，其孔洞问题影响因素较多，包括轧机模具设计、模具磨损、材料质量、加热工艺等多因素影响。此前对产生孔洞缺陷件分析时，未发现明显的材料缺陷，双方对缺陷产生原因未达成一致。随着生产量的扩大，部分炉号探伤不合格率较高，达到 20%以上。通过比较分析，需要提高棒材原料的质量。

1 生产工艺流程及设备参数

20CrNi3H钢的化学成分见表1。

某钢厂提供的棒材原料生产工艺流程：60 t UHP→60 t LF→60 t VD→四机四流连铸机→铸坯红送/缓冷→连轧机组→退火→精整→相控阵探伤→检验→入库。

表1 20CrNi3H钢的化学成分 %

工艺装备参数见表2。

表2 冶炼-连铸-轧制设备参数

主轴零件生产工艺流程：原料验收探伤→加热→楔横轧轧制→探伤。

采用楔横轧方式生产的齿轮轴，由于其特殊的加工方式，钢材内部受三向拉应力作用，零件极易产生内部疏松、孔洞缺陷。因此，对原材料的中心质量比普通轧制要求严格。为确保提供的棒材原料质量，对每支成品棒材进行相控阵超声波探伤，探伤合格后出厂交付使用。

2 质量问题与缺陷描述

合格棒材原料经楔横轧轧机轧制成零件后，再进行探伤，发生了探伤不合，对探伤不合的零件进行解剖分析。

2.1 低倍检验

通过解剖，发现缺陷类型有两种，一种为在中心撕裂开后成开放型的孔洞，能够看到中心区域有明显的撕裂，见图1(a)；另一种为收敛型，有一个小孔，见图1(b)。

图1 主轴零件孔洞缺陷

对于第二种缺陷试样，加工试样横截面，并经1∶1的盐酸水溶液加热浸蚀，低倍组织缺陷见图1(b)。

在试样的中心可见有小孔，缺陷为孔洞。在缺陷的周围可见有发达的柱状晶，中心等轴晶比例较小而且是偏心的。

2.2 高倍检验

对缺陷进行金相分析，见图2、图3。

图2 中心孔洞 (×200)

在孔洞缺陷附近并没有非金属夹杂物缺陷，高倍下形貌系多孔的、撕裂状。

由于棒材经过了楔横轧的二次加工，对孔洞缺陷产生的根源易产生分歧。

图3 中心孔洞SEM

3 缺陷研究与机理分析

撕裂首先发生在夹杂物等薄弱环节，通过上述检验，可以得出，探伤不合不是由钢种洁净度引起的。可以推测缺陷由以下三种情况产生：

(1)楔横轧轧制工艺问题；

(2)棒材原料本身存在缺陷；

(3)楔横轧轧制方式对原材料的使用要求更高。

针对上述可能的原因，双方都进行了排查，并进行了对比轧制，排除了第一项因素。生产前通过二次验收探伤，再轧制，探伤合格的原料经轧制后也出现了探伤不合。因此，可以确认第三种因素是主要原因。

解决问题方向——研究钢材中心质量如何能够满足楔横轧方式的生产要求。

3.1 对缺陷分析研究

通过对主轴零件低倍观察，发现存在质量问题的零件，中心质量存在以下特点：

(1)中心等轴晶区域小；

(2)中心等轴晶不在中心区域；

(3)柱状晶生长异常，有穿晶现象。

通过上述低倍信息可以得出连铸坯在凝固组织方面可以进行改进。

等轴晶的优点是结构致密，各个等轴晶彼此相互嵌入结合牢固；热加工性能好；钢材力学性能呈各向异性[3-4]。

柱状晶发达时，对热加工和产品质量会带来不利影响，要提高产品质量，首先要控制铸坯低倍组织，在凝固过程中要抑制柱状晶生长，扩大铸坯中心等轴晶区[5]。

结合高低倍检验，可以初步判断，该批材料的低倍组织不能满足加工要求，引发材料失效。

3.2 凝固缺陷产生机理分析

钢水注入结晶器，由于结晶器内具有高的温度梯度G和快的凝固速度R，形成致密的激冷层，在激冷层形成后，柱状晶就开始生长。在择优生长和水平方向传热最快的作用下，主轴垂直于铸坯表面的晶体以最大凝固速度生长，形成了单方向的柱状晶。

钢水过热度和连铸二冷强度决定了铸坯中柱状晶的发达程度，冷却速度过大，柱状晶异常发展，就可形成穿晶组织。在液相穴固液界面，由于液体运动把枝晶熔断，它在液相穴中会下沉作为等轴晶形核核心长大，过热度逐渐消除，由渐近结晶过渡到体积结晶，生长的柱状晶与沉积在液相穴底部的等轴晶连接，柱状晶停止生长而形成中心等轴晶区。

由于重力和对流的影响，铸坯内弧侧的柱状晶在凝固过程中会熔断，打扰外弧侧的柱状晶的生长，并为外弧侧的钢液提供形核核心，所以外弧侧的中心等轴晶区较宽[6]。

4 对缺陷改善的试验研究

4.1 对原工艺的铸坯取样分析

根据上述分析，采用对比工艺进行标定。

在连浇中，任选一炉，采用原工艺和新工艺参数进行对比标定：在采用原工艺的第三流上，任选连续两根铸坯，取低倍进行检验。在同一浇次的同一炉上、流场和温度场相同的第二流上，采用新工艺参数，与采用原工艺参数的同节号铸坯上，也连续取两个低倍试片进行检验，这样就可以与原工艺参数的铸坯进行比对标定。

首次调整时，在拉速匹配制度不变的条件下，新二冷参数的比水量对原二冷参数的比水量降低20%，并调整了各区的分配，将一区(足辊)水量分配比降低4%。

完成首次试验后，对标记的铸坯取低倍试片，进行热酸浸蚀。结合国标低倍评级图谱，对四块铸坯低倍质量进行评级和测量，见图4、图5，得出数据见表3。

图4 连铸坯低倍缺陷(优化前)

通过对比试验得出如下试验结论：

(1)在相同过热度下，采用弱水冷却制度后，中心等轴晶比例提高了5%～6%，中心裂纹的级别得到大幅降低。

图5 连铸坯低倍缺陷(优化后)

表3 首次试验铸坯检测数据

(2)在相同二次冷却制度下，降低过热度，中心等轴晶比例提高了3%～5%，中心裂纹级别得到一定的减轻。

(3)原二次冷却参数下的铸坯，中心等轴晶严重下沉，内弧侧的柱状晶已生长到铸坯的几何中心；而采用新工艺参数后，柱状晶的生长得到抑制，中心等轴晶得到发展，避免了中心等轴晶偏心的问题。

4.2 连铸参数的二次优化及固化

为进一步提高铸坯低倍质量，彻底消除中心裂纹，再次调整工艺参数——明确过热度控制目标20～40 ℃，在考虑设备长期安全运行的条件下，二次冷却水的比水量再次下调10%，取横纵试片进行对比。

在不同炉号分别取横纵低倍试片，机加工后进行热酸浸蚀检验，见图6。

根据高镍钢钢种凝固特性，通过再次优化二次冷却水参数、规范中间包过热度控制，铸坯的中心等轴晶比例得到进一步提升，稳定在25%左右，中心质量良好，而且平均分布于铸坯的几何中心，没有出现以往的穿晶组织、中心裂纹、中心缩孔等缺陷。

5 效果验证

改进工艺后的铸坯，送连轧轧制成材后，提高探伤级别后未发现异常，随机抽检成材棒材进行热酸浸蚀检验，见图7。

图6 试验炉号10734、炉号20677低倍检验

图7 10733炉号成品材低倍检验

从成品棒材低倍来看，中心等轴晶区域明显，且均匀分布于圆棒材的中心区域，没有穿晶组织、中心裂纹、中心缩孔等缺陷。

在改善前，成品棒材的低倍质量是不稳定的，有的低倍质量与图8的缺陷相似：中心存在穿晶组织，等轴晶区不在几何中心。

6 结 论

(1)连铸坯的凝固组织对成品材有严格的遗传性，良好的凝固组织可提高加工性能。采用楔横轧轧机生产，对原材料的中心质量要求更高，应引起重视。

图8 20601炉号成品材低倍检验

(2)汽车主轴用20CrNi3H钢零件中心孔洞缺陷系铸坯凝固组织不均匀、柱状晶异常发达，形成穿晶组织造成加工性能差。

(3)通过调整连铸二次冷却参数，中心等轴晶比例由原来的11%～14%提高到25%，而且均匀分布在几何中心，铸坯的中心裂纹得到消除，提高了其加工性能。

(4)通过以上的工艺调整和工艺规范，孔洞类探伤不合情况未再发生。