微量硼对40CrMn轮毂淬火工艺的影响
众所周知，微量硼具有显著提高淬透性的作用，加入微量的硼能在保证钢淬透性的前提下可节约贵重金属和稀缺合金元素（如Ni、Mo等）。通常认为硼含量在0. 0005% ~ 0.0030%范围时能显著提高钢的淬透性，但是硼含量过高会因硼相的析出而导致淬透性下降。目前，国内外钢材市场的不景气，竞争激烈，许多钢材厂家在各类钢材中添加微量B元素以降低贵重金属和稀缺合金元素使用量或使用含B废钢，从而控制生产成本，提高产品竞争力，尤其是近年我国对含B钢增加出口退税政策，加剧钢厂对各类钢添加B元素或使用含B废钢。
钢厂添加B元素降低生产成本的同时，为使用厂家带来了新的问题，由于B含量较低属于微量元素，钢材厂家一般不会在钢的化学成分中将B元素含量标出，而对使用厂家来说通常不会将微量元素B作为化学成分入厂检测的关注点，添加微量B后材料淬透性大大提高，材料淬透性变化较大时，工艺参数势必需要及时调整，如不进行调整会出现由于材料淬透性过高造成的淬火裂纹等问题。
1.概况
我公司长期使用40CrMn钢制作轮毂，该钢无B元素含量要求，化学成分含量如表1所示。轮毂粗加工示意如图1所示，该轮毂工艺过程为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→涂装，调质硬度要求248～293HBW，金相组织为回火索氏体+铁素体。
表1 40CrMn化学成分（质量分数） （%）
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C |
Si |
Mn |
Cr |
P |
S |
Cu |
Ni |
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0.37~0.45 |
0.17~0.37 |
0.90~1.70 |
0.90~1.20 |
≤0.035 |
≤0.035 |
≤0.030 |
≤0.030 |
该轮毂调质淬火工艺参数为：840℃加热淬火，保温2h，回火温度600℃，淬火油温度控制在25～50℃，淬火时开动搅拌泵对淬火油进行搅拌，以保证淬火效果，轮毂工艺参数如图2所示。我公司常年使用该工艺参数对轮毂进行调质处理，产品质量稳定，硬度、金相组织等均合格，并且从未出现任何调质淬火裂纹现象。2014年生产3批淬火轮毂，探伤突然发现大批量淬火裂纹现象（裂纹统计情况见表2），严重影响生产进度，造成巨大经济损失。
表2 轮毂裂纹情况统计
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生产批次 |
裂纹数量/件 |
生产总数/件 |
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1 |
39 |
84 |
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2 |
34 |
42 |
|
3 |
38 |
53 |
2.裂纹原因分析
对裂纹轮毂进行磁粉探伤，发现裂纹均出现在同一位置，裂纹位置如图3所示，裂纹沿工件外圆扩展，最大处沿外圆处裂纹一周。
为分析裂纹宏观形貌，沿裂纹轮毂纵向剖切，切取试块，从宏观上观看裂纹形貌，如图4所示。裂纹较为刚直，垂直向内扩展，裂纹深度约为10mm，抛光试样，观看裂纹起始处、裂纹中段、及裂纹尾部形貌，如图5所示。从图4、5分析观来看属裂纹属于较为典型的淬火裂纹特征。腐蚀裂纹处，查看裂纹处的金相组织，如图6所示，从裂纹起始处、裂纹中段、及裂纹尾部金相组织中可以看出，裂纹处无较为明显脱碳情况，属于较为明显的淬火裂纹。
图6 裂纹开口处、裂纹中部及裂纹尾部的金相组织（400×）
通过上述分析我们对裂纹的三批次轮毂进行分析。首先，我们核对相关生产记录、工艺参数等，生产现场均按照工艺要求生产；随后我们对热处理加热炉温均匀性和淬火油的性能进行检测，检测结果均满足要求。我们对三批次裂纹工件的化学成分进行分析检测并与前期正常检验工件的化学成分进行对比分析，检测结果如表3所示，可以看出，前期生产正常轮毂的40CrMn材料中没有B（B含量低于光谱仪检测范围，无法检测出含量），而裂纹件均正常检测出B含量，B含量在范围在0.0004%～0.0006%。
表3 正常件及裂纹件化学成分（质量分数） （%）
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批次 |
C |
Si |
Mn |
Cr |
P |
S |
Cu |
B |
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前期正常件 |
0.40 |
0.25 |
1.00 |
1.00 |
0.013 |
0.005 |
0.009 |
— |
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第一批裂纹 |
0.40 |
0.25 |
1.03 |
1.00 |
0.015 |
0.005 |
0.085 |
0.0006 |
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第二批裂纹 |
0.39 |
0.21 |
1.02 |
0.99 |
0.020 |
0.008 |
0.010 |
0.0004 |
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第三批裂纹 |
0.40 |
0.22 |
1.01 |
1.01 |
0.016 |
0.005 |
0.009 |
0.0004 |
B具有极强提高淬透性的能力，0.0010％～0.0030％硼的作用可分别相当于0.6％锰、0.7％铬、0.5％钼和1.5％镍，因此其提高淬透性的能力为上述合金元素的几百倍乃至上千倍，故此只需极少量硼即可节约大量的贵重合金元素。本次使用40CrMn中检测出0.0004%-0.0006%的微量硼，该40CrMn在增加B元素的同时，其它合金元素（如Cr、Mn等）的含量没有太大变化，材料的淬透性大大提高，造成本次淬火裂纹的发生。
通过上述分析，可初步判定原材料中B元素添加是造成轮毂淬火裂纹的直接原因，为进一步验证我们的判断，我们对不含B的普通40CrMn钢和含B量为0.0006%的40CrMn钢分别制取端淬试样，两种试样化学成分如表4。对两种试样880℃的淬透性进行对比，对比结果如图7所示，从图7可以看出在其他化学成分基本相当的情况下，含B的40CrMn淬透性明显高于不含B的40CrMn。
表4 两种试样化学成分对比（质量分数） （%）
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批次 |
C |
Si |
Mn |
Cr |
P |
S |
Cu |
B |
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不含B |
0.40 |
0.25 |
1.00 |
1.00 |
0.013 |
0.005 |
0.009 |
— |
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含B |
0.40 |
0.22 |
1.01 |
1.01 |
0.016 |
0.005 |
0.009 |
0.0006 |
3.改善措施
针对上述情况，我公司通过与钢厂沟通协调，将采购含B的40CrMn全部替换为不含B的40CrMn，使用不含B的40CrMn钢后，淬火裂纹问题消除。对于已生产的含B的40CrMn轮毂，我公司通过工艺实验，将淬火温度降低至830℃，并且淬火时不搅拌淬火油，淬火裂纹问题同样消除。对两种轮毂剖检结果显示，调质的淬火硬度、金相组织等均合格，满足图样要求。
通过本公司的这次经验显示，微量的B元素对40CrMn钢的淬透性影响较大，钢厂生产的钢材中如果添加B元素或使用含B的废钢致使成品钢中含有有效B时，需将B元素的含量在化学成分中标出或以其他方式告知钢材使用厂家，以免由于微量B元素对淬透性的提高，造成材料淬透性的变化，对使用厂家造成经济损失。
