20mn2鋼管熱處理斷裂原因分析

20mn2鋼管熱處理斷裂原因分析

20噸通過調(diào)整和研磨，具有良好的耐候性和強(qiáng)耐性，主要用于重型車輛的零件制造，尤其是半軸管件的生產(chǎn)。衡陽鋼管公司所產(chǎn)規(guī)格為?127mm×11.5mm的20Mn2鋼熱軋狀態(tài)管用于制造汽車半軸套管,某用戶在調(diào)質(zhì)時頻繁發(fā)生開裂和斷裂現(xiàn)象,導(dǎo)致鋼管大批量報廢,現(xiàn)取樣作如下分析。1水平連鑄坯調(diào)整用?127mm×11.5mm的20Mn2鋼管生產(chǎn)汽車半軸套管的工藝流程是:水平連鑄坯切斷→環(huán)形爐加熱→錐形輥穿孔→三輥軋管→步進(jìn)爐再加熱→微張力減徑→矯直→調(diào)質(zhì)處理。用戶調(diào)質(zhì)處理采用910℃淬火,保溫30min,水淬+560℃回火,保溫90min,空冷,調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能參數(shù)見表1。2物理和化學(xué)試驗2.1號試樣斷口形貌兩個管段試樣(圖1和圖2)表面均覆蓋著灰黑色氧化皮,一些部位氧化皮已脫落,氧化皮最厚處約1.0mm。1號試樣橫向大部分已斷裂,斷裂處發(fā)生了壓扁和彎折現(xiàn)象,橫斷面最大外徑為130mm,最小外徑為123mm;2號試樣整個橫向完全斷裂,斷口形狀見圖3,也有壓扁和彎折現(xiàn)象,從斷口形貌可以看出,裂紋起始于外表面,正是彎曲最大變形部位,瞬斷區(qū)約占整個斷面的一半,橫斷處最大外徑為133mm,最小外徑為117mm,管內(nèi)壁扁平面上相對存在兩個縱向開裂。兩個試樣斷口均呈無金屬光澤的灰色顆粒狀斷口。2號試樣在檢驗過程中,其端頭與試驗臺鐵板發(fā)生撞擊,崩掉一小塊,見圖3中箭頭所指部位,該部位斷面無金屬光澤,顏色淺灰,有棱角,類似小石塊狀。據(jù)用戶反映,管體斷裂多發(fā)生在離淬火爐爐門不遠(yuǎn)處,即淬火保溫快結(jié)束時。2.2在管道化學(xué)成分分析中取樣作化學(xué)成分分析,結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表2,可見試樣化學(xué)成分符合20Mn2鋼要求。2.3顯微組織和晶界從樣品中沿縱截面取樣作金相分析,試樣在未侵蝕情況下進(jìn)行夾雜物檢驗,按GB/T10561-2005標(biāo)準(zhǔn)評定,A0.5,B0,C0,D1.0,夾雜物含量較低。試樣經(jīng)4%的硝酸酒精侵蝕后,其顯微組織為鐵素體+珠光體,見圖4和圖5,鐵素體以網(wǎng)狀和魏氏體形態(tài)存在,且晶粒度粗大,最大4級,而該鋼管熱軋狀態(tài)下的正常顯微組織應(yīng)為塊狀鐵素體+珠光體,見圖6。對2號試樣碰斷的小塊樣作金相分析,晶界存在氧化和熔化現(xiàn)象,見圖7,再從2號試樣裂紋部位取樣作金相分析,裂紋兩邊未見脫碳現(xiàn)象。對于20Mn2鋼來說,魏氏體是在過熱條件下較快冷卻速度下產(chǎn)生的,而晶界存在氧化和熔化,則是由于熱處理中發(fā)生了過燒現(xiàn)象產(chǎn)生的。2.4回汁添加量選擇從1號試樣上取樣作力學(xué)性能試驗,結(jié)果見表1。從沖擊試驗結(jié)果來看,沖擊值比較低,沖斷后的試樣斷口見圖8,斷面上剪切面極少,顏色灰白,晶粒粗大。3紅外測溫儀測量的鋼管溫度對鋼管斷裂現(xiàn)象的影響在熱處理現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員為提高生產(chǎn)率,在裝爐時將鋼管排列的十分緊密。雖然工藝要求淬火溫度為910℃,當(dāng)使用紅外測溫儀測量時,爐內(nèi)鋼管溫度在某些部位達(dá)到1050℃,管體受熱后產(chǎn)生彎曲變形,隨著其在爐內(nèi)的移動,鋼管之間會發(fā)生擠壓、彎折現(xiàn)象,正是受這種力的作用,導(dǎo)致鋼管發(fā)生斷裂現(xiàn)象。4顯微組織改變該試樣的化學(xué)成分符合要求。從現(xiàn)場反映和試樣的宏觀觀察結(jié)果來看,試樣斷口呈無金屬光澤的灰色粒狀,斷口表面氧化,顏色變深,加上管段表面氧化皮較厚,可以認(rèn)為,鋼管在熱處理中存在加熱溫度過高或加熱時間過長現(xiàn)象。而管端碰掉一小塊的部位,其斷口呈石狀斷口,以及對沖斷后的試樣觀察,其斷口剪切面較小,脆性大,斷面顏色灰白,晶粒粗大,反映出這些斷口均由嚴(yán)重過熱或過燒引起的粗晶晶間斷裂產(chǎn)生的。加上鋼管在熱處理中還發(fā)生過擠壓和彎折現(xiàn)象,最終導(dǎo)致鋼管斷裂。從鋼管顯微組織為鐵素體+珠光體來看,晶粒粗大,并有魏氏體組織存在,它是典型的過熱組織。該鋼管在熱處理中加熱溫度過高,或在過高溫度下停留時間太長,都會使奧氏體晶粒粗大,隨后冷卻速度緩慢,結(jié)果得到粗大晶粒和魏氏體組織。而從2號試樣上發(fā)現(xiàn)晶間氧化和熔化現(xiàn)象可以斷定,由于加熱溫度過高,致使奧氏體晶界熔化嚴(yán)重,最終造成試樣的晶界氧化和熔化。鋼管裂紋兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象,表明該鋼管開裂產(chǎn)生在淬火時,符合現(xiàn)場反映的情況。20Mn2鋼管在高溫狀態(tài)下會產(chǎn)生彎曲變形,這些變形的鋼管在爐內(nèi)相互擠壓、碰撞,加上鋼管處于過熱或過燒狀態(tài)下,強(qiáng)韌性下降,受擠壓力作用產(chǎn)生縱向開裂,受彎折力作用產(chǎn)生橫向斷裂。通過如上分析并根據(jù)實踐經(jīng)驗,20Mn2鋼的AC3為840℃,如果將該種規(guī)格的鋼管淬火溫度控制在870℃,保溫25min,再水淬+560℃回火,保溫70min,空冷,改進(jìn)工藝后的力學(xué)性能見表1,完全滿足標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求。5設(shè)置回轉(zhuǎn)保溫時間,降低鋼管排列密度建議用戶加強(qiáng)爐內(nèi)溫度的測控,保證爐內(nèi)鋼管受熱均勻,將淬火溫度降為(870±10)℃,并控制好溫度波動狀況,保溫25min左右,將回火保溫時間改為70min,降低鋼管在爐內(nèi)的排列密度,避免爐內(nèi)鋼管相互擠壓和彎折現(xiàn)象。采