20mn2钢管热处理断裂原因分析

20mn2钢管热处理断裂原因分析

20吨通过调整和研磨，具有良好的耐候性和强耐性，主要用于重型车辆的零件制造，尤其是半轴管件的生产。衡阳钢管公司所产规格为ϕ127mm×11.5mm的20Mn2钢热轧状态管用于制造汽车半轴套管,某用户在调质时频繁发生开裂和断裂现象,导致钢管大批量报废,现取样作如下分析。1水平连铸坯调整用ϕ127mm×11.5mm的20Mn2钢管生产汽车半轴套管的工艺流程是:水平连铸坯切断→环形炉加热→锥形辊穿孔→三辊轧管→步进炉再加热→微张力减径→矫直→调质处理。用户调质处理采用910℃淬火,保温30min,水淬+560℃回火,保温90min,空冷,调质后的力学性能参数见表1。2物理和化学试验2.1号试样断口形貌两个管段试样(图1和图2)表面均覆盖着灰黑色氧化皮,一些部位氧化皮已脱落,氧化皮最厚处约1.0mm。1号试样横向大部分已断裂,断裂处发生了压扁和弯折现象,横断面最大外径为130mm,最小外径为123mm;2号试样整个横向完全断裂,断口形状见图3,也有压扁和弯折现象,从断口形貌可以看出,裂纹起始于外表面,正是弯曲最大变形部位,瞬断区约占整个断面的一半,横断处最大外径为133mm,最小外径为117mm,管内壁扁平面上相对存在两个纵向开裂。两个试样断口均呈无金属光泽的灰色颗粒状断口。2号试样在检验过程中,其端头与试验台铁板发生撞击,崩掉一小块,见图3中箭头所指部位,该部位断面无金属光泽,颜色浅灰,有棱角,类似小石块状。据用户反映,管体断裂多发生在离淬火炉炉门不远处,即淬火保温快结束时。2.2在管道化学成分分析中取样作化学成分分析,结果(质量分数)见表2,可见试样化学成分符合20Mn2钢要求。2.3显微组织和晶界从样品中沿纵截面取样作金相分析,试样在未侵蚀情况下进行夹杂物检验,按GB/T10561-2005标准评定,A0.5,B0,C0,D1.0,夹杂物含量较低。试样经4%的硝酸酒精侵蚀后,其显微组织为铁素体+珠光体,见图4和图5,铁素体以网状和魏氏体形态存在,且晶粒度粗大,最大4级,而该钢管热轧状态下的正常显微组织应为块状铁素体+珠光体,见图6。对2号试样碰断的小块样作金相分析,晶界存在氧化和熔化现象,见图7,再从2号试样裂纹部位取样作金相分析,裂纹两边未见脱碳现象。对于20Mn2钢来说,魏氏体是在过热条件下较快冷却速度下产生的,而晶界存在氧化和熔化,则是由于热处理中发生了过烧现象产生的。2.4回汁添加量选择从1号试样上取样作力学性能试验,结果见表1。从冲击试验结果来看,冲击值比较低,冲断后的试样断口见图8,断面上剪切面极少,颜色灰白,晶粒粗大。3红外测温仪测量的钢管温度对钢管断裂现象的影响在热处理现场,发现作业人员为提高生产率,在装炉时将钢管排列的十分紧密。虽然工艺要求淬火温度为910℃,当使用红外测温仪测量时,炉内钢管温度在某些部位达到1050℃,管体受热后产生弯曲变形,随着其在炉内的移动,钢管之间会发生挤压、弯折现象,正是受这种力的作用,导致钢管发生断裂现象。4显微组织改变该试样的化学成分符合要求。从现场反映和试样的宏观观察结果来看,试样断口呈无金属光泽的灰色粒状,断口表面氧化,颜色变深,加上管段表面氧化皮较厚,可以认为,钢管在热处理中存在加热温度过高或加热时间过长现象。而管端碰掉一小块的部位,其断口呈石状断口,以及对冲断后的试样观察,其断口剪切面较小,脆性大,断面颜色灰白,晶粒粗大,反映出这些断口均由严重过热或过烧引起的粗晶晶间断裂产生的。加上钢管在热处理中还发生过挤压和弯折现象,最终导致钢管断裂。从钢管显微组织为铁素体+珠光体来看,晶粒粗大,并有魏氏体组织存在,它是典型的过热组织。该钢管在热处理中加热温度过高,或在过高温度下停留时间太长,都会使奥氏体晶粒粗大,随后冷却速度缓慢,结果得到粗大晶粒和魏氏体组织。而从2号试样上发现晶间氧化和熔化现象可以断定,由于加热温度过高,致使奥氏体晶界熔化严重,最终造成试样的晶界氧化和熔化。钢管裂纹两侧未见脱碳现象,表明该钢管开裂产生在淬火时,符合现场反映的情况。20Mn2钢管在高温状态下会产生弯曲变形,这些变形的钢管在炉内相互挤压、碰撞,加上钢管处于过热或过烧状态下,强韧性下降,受挤压力作用产生纵向开裂,受弯折力作用产生横向断裂。通过如上分析并根据实践经验,20Mn2钢的AC3为840℃,如果将该种规格的钢管淬火温度控制在870℃,保温25min,再水淬+560℃回火,保温70min,空冷,改进工艺后的力学性能见表1,完全满足标准参数要求。5设置回转保温时间,降低钢管排列密度建议用户加强炉内温度的测控,保证炉内钢管受热均匀,将淬火温度降为(870±10)℃,并控制好温度波动状况,保温25min左右,将回火保温时间改为70min,降低钢管在炉内的排列密度,避免炉内钢管相互挤压和弯折现象。采