眾所周知，微量硼具有顯著提高淬透性的作用，加入微量的硼能在保證鋼淬透性的前提下可節約貴重金屬和稀缺合金元素（如Ni、Mo等）。通常認為硼含量在0. 0005% ~ 0.0030%范圍時能顯著提高鋼的淬透性，但是硼含量過高會因硼相的析出而導致淬透性下降。目前，國內外鋼材市場的不景氣，競爭激烈，許多鋼材廠家在各類鋼材中添加微量B元素以降低貴重金屬和稀缺合金元素使用量或使用含B廢鋼，從而控制生產成本，提高產品競爭力，尤其是近年我國對含B鋼增加出口退稅政策，加劇鋼廠對各類鋼添加B元素或使用含B廢鋼。
鋼廠添加B元素降低生產成本的同時，為使用廠家帶來了新的問題，由于B含量較低屬于微量元素，鋼材廠家一般不會在鋼的化學成分中將B元素含量標出，而對使用廠家來說通常不會將微量元素B作為化學成分入廠檢測的關注點，添加微量B后材料淬透性大大提高，材料淬透性變化較大時，工藝參數勢必需要及時調整，如不進行調整會出現由于材料淬透性過高造成的淬火裂紋等問題。
1.概況
我公司長期使用40CrMn鋼制作輪轂，該鋼無B元素含量要求，化學成分含量如表1所示。輪轂粗加工示意如圖1所示，該輪轂工藝過程為：下料→鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→涂裝，調質硬度要求248～293HBW，金相組織為回火索氏體+鐵素體。
表1 40CrMn化學成分（質量分數） （%）
C | Si | Mn | Cr | P | S | Cu | Ni |
0.37~0.45 | 0.17~0.37 | 0.90~1.70 | 0.90~1.20 | ≤0.035 | ≤0.035 | ≤0.030 | ≤0.030 |
該輪轂調質淬火工藝參數為：840℃加熱淬火，保溫2h，回火溫度600℃，淬火油溫度控制在25～50℃，淬火時開動攪拌泵對淬火油進行攪拌，以保證淬火效果，輪轂工藝參數如圖2所示。我公司常年使用該工藝參數對輪轂進行調質處理，產品質量穩定，硬度、金相組織等均合格，并且從未出現任何調質淬火裂紋現象。2014年生產3批淬火輪轂，探傷突然發現大批量淬火裂紋現象（裂紋統計情況見表2），嚴重影響生產進度，造成巨大經濟損失。
表2 輪轂裂紋情況統計
生產批次 | 裂紋數量/件 | 生產總數/件 |
1 | 39 | 84 |
2 | 34 | 42 |
3 | 38 | 53 |
2.裂紋原因分析
對裂紋輪轂進行磁粉探傷，發現裂紋均出現在同一位置，裂紋位置如圖3所示，裂紋沿工件外圓擴展，最大處沿外圓處裂紋一周。
為分析裂紋宏觀形貌，沿裂紋輪轂縱向剖切，切取試塊，從宏觀上觀看裂紋形貌，如圖4所示。裂紋較為剛直，垂直向內擴展，裂紋深度約為10mm，拋光試樣，觀看裂紋起始處、裂紋中段、及裂紋尾部形貌，如圖5所示。從圖4、5分析觀來看屬裂紋屬于較為典型的淬火裂紋特征。腐蝕裂紋處，查看裂紋處的金相組織，如圖6所示，從裂紋起始處、裂紋中段、及裂紋尾部金相組織中可以看出，裂紋處無較為明顯脫碳情況，屬于較為明顯的淬火裂紋。
圖6 裂紋開口處、裂紋中部及裂紋尾部的金相組織（400×）
通過上述分析我們對裂紋的三批次輪轂進行分析。首先，我們核對相關生產記錄、工藝參數等，生產現場均按照工藝要求生產；隨后我們對熱處理加熱爐溫均勻性和淬火油的性能進行檢測，檢測結果均滿足要求。我們對三批次裂紋工件的化學成分進行分析檢測并與前期正常檢驗工件的化學成分進行對比分析，檢測結果如表3所示，可以看出，前期生產正常輪轂的40CrMn材料中沒有B（B含量低于光譜儀檢測范圍，無法檢測出含量），而裂紋件均正常檢測出B含量，B含量在范圍在0.0004%～0.0006%。
表3 正常件及裂紋件化學成分（質量分數） （%）
批次 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Cu | B |
前期正常件 | 0.40 | 0.25 | 1.00 | 1.00 | 0.013 | 0.005 | 0.009 | — |
第一批裂紋 | 0.40 | 0.25 | 1.03 | 1.00 | 0.015 | 0.005 | 0.085 | 0.0006 |
第二批裂紋 | 0.39 | 0.21 | 1.02 | 0.99 | 0.020 | 0.008 | 0.010 | 0.0004 |
第三批裂紋 | 0.40 | 0.22 | 1.01 | 1.01 | 0.016 | 0.005 | 0.009 | 0.0004 |
B具有極強提高淬透性的能力，0.0010％～0.0030％硼的作用可分別相當于0.6％錳、0.7％鉻、0.5％鉬和1.5％鎳，因此其提高淬透性的能力為上述合金元素的幾百倍乃至上千倍，故此只需極少量硼即可節約大量的貴重合金元素。本次使用40CrMn中檢測出0.0004%-0.0006%的微量硼，該40CrMn在增加B元素的同時，其它合金元素（如Cr、Mn等）的含量沒有太大變化，材料的淬透性大大提高，造成本次淬火裂紋的發生。
通過上述分析，可初步判定原材料中B元素添加是造成輪轂淬火裂紋的直接原因，為進一步驗證我們的判斷，我們對不含B的普通40CrMn鋼和含B量為0.0006%的40CrMn鋼分別制取端淬試樣，兩種試樣化學成分如表4。對兩種試樣880℃的淬透性進行對比，對比結果如圖7所示，從圖7可以看出在其他化學成分基本相當的情況下，含B的40CrMn淬透性明顯高于不含B的40CrMn。
表4 兩種試樣化學成分對比（質量分數） （%）
批次 | C | Si | Mn | Cr | P | S | Cu | B |
不含B | 0.40 | 0.25 | 1.00 | 1.00 | 0.013 | 0.005 | 0.009 | — |
含B | 0.40 | 0.22 | 1.01 | 1.01 | 0.016 | 0.005 | 0.009 | 0.0006 |
3.改善措施
針對上述情況，我公司通過與鋼廠溝通協調，將采購含B的40CrMn全部替換為不含B的40CrMn，使用不含B的40CrMn鋼后，淬火裂紋問題消除。對于已生產的含B的40CrMn輪轂，我公司通過工藝實驗，將淬火溫度降低至830℃，并且淬火時不攪拌淬火油，淬火裂紋問題同樣消除。對兩種輪轂剖檢結果顯示，調質的淬火硬度、金相組織等均合格，滿足圖樣要求。
通過本公司的這次經驗顯示，微量的B元素對40CrMn鋼的淬透性影響較大，鋼廠生產的鋼材中如果添加B元素或使用含B的廢鋼致使成品鋼中含有有效B時，需將B元素的含量在化學成分中標出或以其他方式告知鋼材使用廠家，以免由于微量B元素對淬透性的提高，造成材料淬透性的變化，對使用廠家造成經濟損失。
作者：王孟、谷浩鵬、李炎、王忠
單位：山推工程機械股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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