20CrMnTiH 热锻齿坯加工过程中产生裂纹原因分析

赵贺楠， 刘年富

（宝武集团广东韶关钢铁有限公司， 广东 韶关 512123）

20CrMnTiH 齿轮钢是国内各种工程机械、汽车等传动齿轮、齿轮轴等广泛使用的钢种，要求化学成分均匀、波动小，要求钢液的纯净度高[1]。齿轮是汽车、机械工业重要的传动零件，起着传递动力及改变速度和方向的作用，其使用条件恶劣，要承受摩擦和高冲击载荷作用，要求齿轮钢必须具备高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强度等综合使用性能[2]。

某公司使用Φ130 mm 规格的20CrMnTiH 圆钢，在加工热锻齿坯的过程中发现裂纹。20CrMnTiH 热锻齿坯生产加工流程为：圆钢锯切下料（长度260 mm）—热墩坯（直径210 mm×厚80 mm）—冲孔（直径80 mm）—捻环（直径300 mm×厚70 mm）—热挤模锻成形（运动挤压，直径330 mm×厚70 mm）。为了查找20CrMnTiH 热锻齿坯产生裂纹的原因，采用ARL3460直读光谱仪、金相显微镜和扫描电镜对热锻齿坯试裂纹样进行了检验和分析。

1 检验结果

1.1 化学成分

使用ARL3460 直读光谱仪对20CrMnTiH 热锻齿坯试样进行光谱检测，化学成分见表1。

表1 化学成分 %

由化学成分检测结果可知，20CrMnTiH 热锻齿坯试样的材质符合国家标准GBT 5216—2014《保证淬透性结构钢》的成分要求，特别是有害杂质元素硫、磷的含量优于国家标准，在正常使用的情况下不会使材料脆性增加。成分分析结果表明，20CrMnTiH热锻齿坯试样的化学成分无异常。

2.2 宏观形貌

目视观察热锻齿坯试样发现裂纹出现在内孔侧表面，体视显微镜下观察裂纹呈中间大，两端小倾斜向内发展的裂纹，裂纹内粗糙不平，如图1 所示。

图1 宏观裂纹形貌

2.3 金相组织

使用LEICA 倒置数字显微镜（型号：DMILM），在裂纹处取样进行金相检测，金相显微镜下观察裂纹末端圆滑，裂纹内见氧化铁并存在明显的脱碳现象如见下页图2、图3 所示。

图2 裂纹形貌

基体组织为珠光体+铁素体，如下页图4 所示。

2.4 电镜分析

图3 裂纹处组织形貌

图4 基体组织形貌

使用ZEISS 扫描电子显微镜（型号：EVO18），观察发现裂纹内均存在较厚的氧化层，裂纹内断口起伏不定，存在组织明显的撕裂痕迹，说明钢材内孔侧表面受外部较大作用力致使此区域基体撕裂，如图5、图6 所示。

图5 裂纹处形貌（13 倍）

3 分析与讨论

图6 裂纹处形貌（50 倍）

1）由化学成分分析可知，热锻齿坯试样的化学成分符合国家标准GBT 5216—2014《保证淬透性结构钢》对20CrMnTiH 圆钢的要求。

2）目视观察热锻齿坯试样裂纹均出现在内孔侧表面，通过扫描电镜分析发现裂纹内存在组织撕裂痕迹，说明钢材内孔侧表面受外部较大作用力致使此区域基体撕裂而形成裂纹，裂纹在高温下发生氧化脱碳现象，致使裂纹处覆盖一层氧化铁层。

4 结语

由成分、金相组织及电镜的分析结果可知：20CrMnTiH 热锻齿坯试样的裂纹，是由于钢材内孔侧表面受外部较大作用力导致此区域基体撕裂而形成的裂纹，裂纹是钢材在锻造过程中产生的锻造裂纹。