摘 要:較為全面且深入地闡述了含有內(nèi)生夾雜物、表面夾渣、帶狀偏析的3種鍛鋼件中常見(jiàn)冶 金缺陷造成的淬火開(kāi)裂。對(duì)產(chǎn)品的制造工藝、裂紋形貌、顯微組織等進(jìn)行分析。結(jié)果表明:影響淬 火開(kāi)裂的因素為淬火應(yīng)力、應(yīng)力集中、冶金缺陷等,尤其與夾雜物類(lèi)缺陷的分布位置關(guān)系很大。

關(guān)鍵詞:夾雜物;表面夾渣;帶狀偏析;應(yīng)力集中;淬火裂紋

中圖分類(lèi)號(hào):TH133.2;TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)06-0001-06

淬火裂紋是常見(jiàn)的淬火缺陷,其產(chǎn)生的原因 是多方面的,如:選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制定、參數(shù) 選擇(加熱、保溫、冷卻、介質(zhì))、操作方式以及原材 料質(zhì)量等。通常,淬火裂紋是指工件在淬火過(guò)程 中發(fā)生的開(kāi)裂現(xiàn)象,其是在產(chǎn)生大量馬氏體時(shí),或 在淬火完成、將零件從冷卻劑中取出之后,或者是 在淬火后、經(jīng)過(guò)幾小時(shí)至幾十小時(shí)后發(fā)生的[1]。 從裂紋形態(tài)角度考慮,淬火裂紋基本上分為縱向 裂紋、弧型裂紋、網(wǎng)狀裂紋、剝離裂紋和應(yīng)力集中 裂紋等[2-4]。

隨著我國(guó)熱處理行業(yè)的快速發(fā)展,關(guān)于淬火 開(kāi)裂方面的研究有很多[5-7],主要集中在工藝制 定、參數(shù)選擇、操作方式等方面,對(duì)原材料的研究 則相對(duì)較少,這是因?yàn)樵牧先毕莞鼮橹庇^明了, 不確定因素相對(duì)較少。鑄態(tài)金屬常見(jiàn)的缺陷有縮 孔、疏松、氣泡、裂紋、白點(diǎn)、夾雜物、夾渣、偏析等, 而較為重要的機(jī)械零部件成型方式通常為鍛造成 型。鍛件中常見(jiàn)的冶金缺陷有白點(diǎn)、夾雜物、夾 渣、偏析等。

1 夾渣造成的淬火裂紋

1.1 案例分析

該齒輪軸材料為20CrMnMo鋼,其采用滲碳+ 直接淬火的熱處理工藝,淬火后發(fā)現(xiàn)一件產(chǎn)品發(fā)生 開(kāi)裂,齒輪軸宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:裂 紋沿齒輪軸縱向分布及擴(kuò)展,呈典型的應(yīng)力開(kāi)裂特 征,且裂紋徑向擴(kuò)展深度已大于半徑,但尚未穿透。 根據(jù)裂紋形態(tài)無(wú)法判斷起裂位置,需對(duì)裂紋處進(jìn)行 解剖分析。裂紋處斷口宏觀形貌如圖2所示,裂紋 源位于圖中圓圈標(biāo)記區(qū)域,裂紋長(zhǎng)度約為30mm, 整體軸向分布,距離表面約3mm。

1.2 理化檢驗(yàn)

1.2.1 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

對(duì)圖2中的斷口進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析,結(jié)果 (見(jiàn)圖3)顯示線狀裂紋源寬度約為0.1mm,裂紋源區(qū) 密集分布著顆粒物,能譜分析結(jié)果顯示其主要成分為 氧化鋁(見(jiàn)圖4和表1)。裂紋源區(qū)氧化鋁顆粒分布雖 密集,但單顆粒尺寸(直徑)多數(shù)小于5μm。

1.2.2 金相檢驗(yàn)

沿圖2中虛線處取樣,并將其置于光學(xué)顯微鏡 下觀察,結(jié)果如圖5所示,由圖5可知:表面滲碳層 深度約為1mm,組織為針狀回火馬氏體+殘留奧 氏體;裂紋源處未見(jiàn)氧化層和脫碳層;齒輪軸心部組 織為回火馬氏體+貝氏體,可見(jiàn)其處于完全淬透的 狀態(tài),即表層區(qū)域處于最大拉應(yīng)力狀態(tài);沿齒輪軸縱 向取樣,并對(duì)其進(jìn)行非金屬夾雜物檢查,D類(lèi)評(píng)定級(jí) 別為0.5級(jí),未見(jiàn)其他類(lèi)型夾雜物。

1.3 小結(jié)

齒輪軸原材料潔凈度良好,縱向有典型的淬火 裂紋,根據(jù)放射狀裂紋收斂方向可判斷:淬火開(kāi)裂的 原因?yàn)檠佚X輪軸近表面縱向分布的大尺寸夾渣。一 方面夾渣造成局部應(yīng)力集中,另一方面為齒輪軸完 全淬透,淬火殘余應(yīng)力為相變應(yīng)力型。在淬火過(guò)程 中,夾渣處極易成為裂紋源,上述夾渣實(shí)為大量聚集 分布的細(xì)小氧化鋁顆粒,為脫氧產(chǎn)物。

2 夾雜物造成的淬火裂紋

2.1 案例分析

該齒輪材料為18CrNiMo7-6鋼,制造工藝為: 原材料?鍛造?粗車(chē)?輪齒加工?滲碳?淬火和 回火?精車(chē)?鉆油孔?磨齒?磁粉檢測(cè)?清洗,清洗后發(fā) 現(xiàn) 齒 輪 內(nèi) 孔 環(huán) 油 槽 部 位 出 現(xiàn) 周 向 裂 紋。 18CrNiMo7-6鋼齒輪軸宏觀形貌如圖6所示。開(kāi) 裂部位見(jiàn)圖6中箭頭處,恰好位于變徑過(guò)渡區(qū)域的 環(huán)油槽處;整個(gè)斷口呈一次性脆性斷裂特征,斷面無(wú) 氧化、腐蝕跡象[8]。根據(jù)放射狀裂紋收斂方向可知, 斷面上油孔兩側(cè)近齒輪內(nèi)孔邊緣淺表層存在兩處裂 紋源,分別編號(hào)為 A和B。

2.2 理化檢驗(yàn)及有限元模擬

2.2.1 掃描電鏡和能譜分析

裂紋源 A處的SEM 形貌和元素分布如圖7所 示,裂紋源 A距離油孔邊緣4mm,位于齒輪內(nèi)孔淺表層1mm,裂紋源區(qū)聚集分布著大量粗塊狀硫化 錳夾雜物,且無(wú)方向性,裂紋自該處起源并向周?chē)鷶U(kuò) 展。另外,裂紋源B距離油孔邊緣1mm,位于齒輪 內(nèi)孔淺表層2mm處,整體特征同裂紋源 A。

2.2.2 低倍檢驗(yàn)

在裂紋源下方10mm處取樣并進(jìn)行低倍檢驗(yàn), 結(jié)果如圖8所示,距內(nèi)孔邊緣約15mm處存在明顯 的枝晶狀偏析,說(shuō)明該處鍛造比不足。這也使得裂 紋源部位硫化錳夾雜物粗大且無(wú)方向性,造成該處 應(yīng)力集中嚴(yán)重。

2.2.3 有限元模擬計(jì)算

為了驗(yàn)證齒輪結(jié)構(gòu)的可靠性,通過(guò)有限元方法 計(jì)算出該齒輪在車(chē)軸過(guò)盈狀態(tài)下的應(yīng)力分布,結(jié)合 殘余應(yīng)力分析結(jié)果,考察齒輪發(fā)生失效的可能性。 有限元分析時(shí),在齒輪與車(chē)軸之間建立接觸關(guān)系,并 分別設(shè)置兩面間過(guò)盈量為0.35,0.41mm。計(jì)算結(jié) 果顯示:最大局部應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)油槽和注油孔相貫 處,分別為443.6,519.4MPa(見(jiàn)圖9),證明注油孔本身在結(jié)構(gòu)上為應(yīng)力集中點(diǎn)。

2.3 小結(jié)

裂紋源處存在 MnS夾雜物偏聚現(xiàn)象,屬于原材 料缺陷;且該缺陷在后續(xù)成型(鍛造)過(guò)程中未能有 效消除或改變形態(tài),再加上其恰好分布于最大應(yīng)力 集中處,致使材料發(fā)生一次性開(kāi)裂,該區(qū)域鍛造比不 足對(duì)裂紋的擴(kuò)展起促進(jìn)作用。同理,疏松等缺陷也 會(huì)導(dǎo)致淬火裂紋[9]。

3 偏析造成的淬火裂紋

3.1 案例分析

閥體材料為4140鋼,制造工藝為:圓鋼→冷拉 (六角)→斷料→調(diào)質(zhì)→噴丸→車(chē)外圓和鏜孔。經(jīng)統(tǒng) 計(jì),某批次產(chǎn)品在調(diào)質(zhì)過(guò)程中發(fā)生批量開(kāi)裂事故。 圖10為坯料實(shí)物及斷口宏觀形貌,裂紋貫穿整個(gè)長(zhǎng) 度方向,沿縱向分布,且徑向擴(kuò)展深度大于半徑。起 裂部位為試樣表面,起裂處未見(jiàn)夾渣、疏松等原材料 缺陷,整個(gè)斷口呈一次性脆性斷裂特征。

3.2 理化檢驗(yàn)

3.2.1 低倍檢驗(yàn)

對(duì)原材料和六角斷料試樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn),結(jié)果如圖 11所示,發(fā)現(xiàn)二者均存在較大范圍的枝晶偏析現(xiàn)象。

3.2.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)試樣材料進(jìn)行化學(xué)成分分 析,結(jié)果如表 2 所示,可見(jiàn)其化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn) ASTMA29/A29M—2004《熱鍛及冷加工碳素鋼和 合金鋼棒化學(xué)成分》的要求。

3.2.3 金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)試

閥體的金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖12所示,可見(jiàn)裂紋面 剛直有力,無(wú)原材料缺陷,組織以回火索氏體為主, 無(wú)氧化、脫碳現(xiàn)象,整體呈應(yīng)力開(kāi)裂特征。值得注意 的是,整個(gè)裂紋面沿帶狀偏析處分布,且橫截面較大 范圍內(nèi)枝晶偏析極為嚴(yán)重。對(duì)圖12a)中區(qū)域1和 區(qū)域2進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,發(fā)現(xiàn)兩處硬度分別為 360HV 和320HV,這是因?yàn)榍罢邽榛鼗鹚魇象w, 而后者摻雜有部分貝氏體。對(duì)試樣進(jìn)行完全退火 (890℃保溫,1.5h后控溫爐冷)后,檢查帶狀組織 級(jí)別,數(shù)條由等軸晶粒和變形晶粒組成的貫穿視場(chǎng) 的鐵素體-珠光體交替帶的評(píng)定級(jí)別約為4~5級(jí), 表明原材料偏析嚴(yán)重。

3.3 小結(jié)

閥體原材料的化學(xué)成分合格,組織以回火索氏 體為主,偏析現(xiàn)象嚴(yán)重,帶狀組織級(jí)別約為4~5級(jí)。 斷口整體呈應(yīng)力開(kāi)裂特征,結(jié)合裂紋分布、斷面組織 及其制造工藝可知:開(kāi)裂發(fā)生于淬火過(guò)程中,屬于組 織應(yīng)力型殘余應(yīng)力導(dǎo)致的淬火裂紋,其產(chǎn)生原因與 嚴(yán)重的成分偏析有關(guān)。

4 綜合分析

案例1和案例2都屬于夾雜物造成的淬火開(kāi) 裂,案例1為大量小顆粒氧化鋁聚集成的大尺寸表 面“夾 渣”,通 常 表 面 夾 渣 是 指 鑄 坯 表 皮 下 2~ 10mm鑲嵌有大塊的渣子,因而也稱(chēng)皮下夾渣[10]。 從夾渣的組分來(lái)看,Mn-Si酸鹽系夾雜物的尺寸大、 而深度淺,Al2O3 系夾雜物細(xì)小而深度深,案例1中 夾渣屬于后者,這類(lèi)夾渣通過(guò)正確的操作是可以避 免的。由于其尺寸大、脆性大,與基體的結(jié)合能力 弱,本身就是一個(gè)應(yīng)力集中源,加工過(guò)程中不易變 形,容易發(fā)生碎裂,形成更多的顯微裂紋,甚至與基 體分離[11]。案例1中造成淬火開(kāi)裂的原因可以從3 個(gè)方面考慮:① 夾渣自身尺寸大、脆性大、分布范圍 廣,應(yīng)力集中明顯且分布在表層區(qū)域;② 齒輪軸被 完全淬透,淬火殘余應(yīng)力屬于組織應(yīng)力型,表層區(qū)域 所受拉應(yīng)力最大;③ 齒輪軸采用滲碳+直淬的熱處 理工藝,表層殘留奧氏體增加,同時(shí)馬氏體較粗大, 進(jìn)一步增大了淬火應(yīng)力。一般夾渣造成的淬火開(kāi)裂 滿足前兩者即可。

相比較而言,案例2中的硫化錳夾雜物分布比 較均勻,顆粒也較小,正確的操作和合理的工藝措施 可減少其數(shù)量和改變其大小、分布,但一般是不可避 免的。案例2中夾雜物為 A類(lèi)塑性?shī)A雜,該類(lèi)夾雜 物可沿變形方向延伸成條帶狀,危害相對(duì)較小。齒 輪從硫化錳夾雜物處起裂,主要原因有3點(diǎn):① 夾 雜物的形態(tài)和分布,裂紋源處硫化物數(shù)量多,呈粗塊 狀,且聚集分布,破壞了基體的連續(xù)性,增加了鋼中 組織的不均勻性,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中;② 設(shè)計(jì)因素, 經(jīng)有限元模擬計(jì)算可知,齒輪起裂處恰好為最大應(yīng) 力集中區(qū);③ 局部鍛造比不足,齒輪內(nèi)孔采用鏜孔 成型,對(duì)于中大型鍛件而言,內(nèi)孔附近鍛造比非常 小,該區(qū)枝晶偏析明顯。

案例3中帶狀偏析嚴(yán)重,級(jí)別高達(dá)4~5級(jí)。帶 狀組織是影響鍛鋼件產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的主要因素之一,破壞了鋼基體的連續(xù)性,使鋼的性能產(chǎn)生明顯的 各向異性,橫向塑、韌性遠(yuǎn)低于縱向,而元素偏析則 是產(chǎn)生帶狀組織最根本的原因[12]。成分偏析對(duì)鋼 的淬透性有著顯著的影響[13],富化區(qū)導(dǎo)致淬透性增 加,反之,淬透性降低。這也是富化區(qū)組織為回火索 氏體,而“貧化區(qū)”摻雜有貝氏體的主要原因。

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