文/徐海霞·北京新光凱樂汽車冷成型件股份有限公司

40Cr 是典型的中碳調質鋼和冷镦模具鋼。該鋼加工容易，經适當的熱處理後可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，綜合性能較好。由于冷镦工藝可以節省原材料，并最大限度地減少機械加工成本，所以一直以來深受歡迎。

冷镦用鋼一般要求屈強比為0.5 ～0.65，端面收縮率大于50%。此外為避免冷镦時表面開裂，要求鋼材表面質量良好，同時鋼材的表面脫碳要盡可能小。因此冷镦鋼大多為低碳素結構鋼和優質合金結構鋼，因其具有優良的沖擊韌性，可滿足冷镦高變形率的要求。但由于零件材質要求，也會使用少量中碳素結構鋼。中碳鋼強度較高，塑性稍差于低碳鋼，控制不好的話，在冷镦過程中，易造成開裂缺陷。

我公司用40Cr 冷镦鋼生産汽車底盤系統的軸類零件，該軸類零件對汽車的安全運行起着至關重要的作用。40Cr 材質軸類零件産生了開裂缺陷，為此我們對開裂缺陷件進行了取樣檢驗和分析，以找出開裂原因。

冷镦用40Cr 精制線材加工流程：鐵水預處理→轉爐冶煉→LF 爐→（VD/RH）爐→連鑄（150mm× 150mm 方坯）→鑄坯檢查→抛丸、探傷、修磨→高線軋制→檢驗→酸洗→1 次拉絲→熱處理→酸洗與皮膜處理→2 次拉絲→檢測→包裝。

矯直→剪切→整形→成形→清洗→烘幹，成形共分6 個步驟，逐步将産品冷镦至目标尺寸。

影響冷镦鋼冷镦開裂的原因較多，其機理主要是冷镦鋼塑性降低、組織連續性和基體連續性受到破壞，具體的影響因素會以不同的方式影響到産品的冷镦性能，造成産品冷镦開裂。為此，根據此工件的生産工藝流程進行初步分析，确定産生裂紋的階段。

經對冷镦過程6 個工位樣件進行尺寸測量，均符合工藝要求，排除了冷镦産生缺陷的可能。為此，可以确認産生缺陷的過程是在線材加工流程。

分别取冷镦後開裂的零件和母材試樣，對可能導緻産生表面裂紋的因素進行逐一分析。而影響40Cr合金冷镦鋼盤條産品質量的因素主要包括化學成分、非金屬夾雜物、表面質量、組織結構和力學性能等方面，以下将從這幾個方面進行具體分析。

采用光譜儀對缺陷件進行化學成分分析，結果見表1。

開裂零件批次化學成分符合标準的技術要求，排除化學成分不合格造成開裂可能性。

表1 化學成分表(wt%)

為滿足冷镦工藝要求，對冷镦用線材做了強度和塑性技術要求。取同批次冷镦線材樣棒，采用60t 萬能試驗機對缺陷件進行拉伸性能分析，結果見表2。

開裂零件批次的拉伸性能符合标準的技術要求，排除原材料拉伸性能不合格造成開裂可能性。

在線材上截取試樣，直徑24mm，長度24mm，做1/2 頂鍛試驗，試驗後表面無開裂，符合技術要求，排除頂鍛性能不合格造成開裂可能性。

⑴母材試樣。取母材樣，直徑φ30mm，高度15mm，如圖1 所示。處理步驟：對試樣裂紋處進行線切割、金相研磨、抛光、腐蝕，制備成金相試樣，采用激光共聚焦顯微鏡觀察了母材的心部、1/4 處和距邊緣1mm 位置的微觀組織照片，結果如圖2 所示。

從金相照片可知，母材組織為球化退火組織，分布均勻，球化級别符合冷镦鋼原材料技術要求，因此判定母材組織無異常。

取冷镦開裂零件如圖3所示。處理步驟：對試樣裂紋處進行線切割、金相研磨、抛光，制備成金相試樣，在激光共聚焦顯微鏡下進行金相和裂紋觀察。

如圖4 所示，在冷镦零件樣的橫剖面的裂紋中發現了夾雜物，夾雜物在鋼材基體中，從形貌上判斷不是後期加工或者樣品制備帶來的。

表2 拉伸性能結果

在掃描電鏡SEM 下，觀察試樣裂紋的走勢分布及形态，并對裂紋缺陷處物質進行EDS 能譜分析。圖5 為圖3 中冷镦零件樣紅色标記内的肉眼可見的宏觀裂紋橫剖面形貌照片，沿裂紋方向夾雜物缺陷的能譜（EDS）分析如圖6 所示。能譜分析表明，這些夾雜物缺陷的成分主要為Al、O、Ca、Mg、Si、Ti、S，其中主要為Al2O3，且Al2O3 顆粒的長度達到200 ～300μm，基體成分主要為Fe。

圖7 為沿冷镦零件邊部環周的細微裂紋形貌照片，由圖中可知冷镦零件樣中的細微裂紋主要分布在近表層處，且裂紋分布在距離邊部約1.4mm 的範圍内。

圖1 母材試樣

圖2 母材樣的橫剖面組織形貌

圖3 40Cr 試樣表面裂紋處的宏觀照片

圖4 冷镦零件樣裂紋處橫剖面組織形貌

圖5 冷镦零件樣紅色标記内的宏觀裂紋橫剖面形貌

圖6 橫剖面沿裂紋方向缺陷處的EDS 成分分析

對圖7 中觀察到的細微裂紋，沿裂紋方向夾雜物缺陷的能譜（EDS）分析如圖8 所示。能譜分析表明，這些夾雜物缺陷的成分主要仍為Al、O、 Ca、Mg、Si、Ti、S，其中主要為Al2O3，且Al2O3 顆粒的長度達到200 ～300μm，基體成分主要為Fe。由此可知，試樣中的裂紋是沿着這些夾雜物缺陷進行擴展。

根據不良産品批次信息、掃描電鏡實驗分析結果，調查原料生産過程，發現該批次産品對澆注工序耐火材料進行了更換，之前耐火材料已經損壞掉渣，推斷鋼材中大顆粒夾雜物為耐火材料掉入鋼坯中。

⑴40Cr 冷镦零件樣近表面層的肉眼可見的宏觀裂紋及邊部環周的細微裂紋沿夾雜缺陷進行擴展。

圖7 冷镦零件邊部環周的細微裂紋形貌照片

圖8 橫剖面沿裂紋方向缺陷處的EDS 成分分析

⑵主要夾雜物為呈長條狀分布的大尺寸Al2O3。

⑶試樣近表面層中的硬質相Al2O3 長條帶，破壞鋼組織連續性和基體連續性，降低冷镦鋼的塑性，是裂紋産生的主要原因。

⑷鋼坯澆注耐火材料的損壞是造成鋼坯中大顆粒夾雜的主要原因，加強對鋼坯澆注耐火材料的壽命管理，可有效防止類似情況再次發生。

由此可見，鋼中非金屬夾雜物數量多、尺寸大、不易變形是直接影響标準件冷镦開裂的一個重要原因，尤其是非金屬夾雜中的B 類和D 類脆性夾雜，對産品質量影響更為關鍵。鋼坯制造過程中，除了需要在煉鋼時注重夾雜物的去除，還應對澆注過程的外來夾雜物進行管控和防護。

作者介紹

質量控制部高級質量主管，主要從事冷镦用鋼制線材技術要求評審、線材的檢驗、質量問題分析等。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第23期

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