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種鍛鋼件中常見冶 金缺陷造成的淬火開裂。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程 中發(fā)生的開裂現(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類評(píng)定級(jí) 別為0.5級(jí),未見其他類型夾雜物。

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?輪齒加工?滲碳?淬火和 回火?精車?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 裂部位見圖6中箭頭處,恰好位于變徑過渡區(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圍擴(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,通過有限元方法 計(jì)算出該齒輪在車軸過盈狀態(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),在齒輪與車軸之間建立接觸關(guān)系,并 分別設(shè)置兩面間過盈量為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→車外圓和鏜孔。經(jīng)統(tǒng) 計(jì),某批次產(chǎn)品在調(diào)質(zhì)過程中發(fā)生批量開裂事故。 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)力開裂特征,結(jié)合裂紋分布、斷面組織 及其制造工藝可知:開裂發(fā)生于淬火過程中,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 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,這類夾渣通過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類塑性?shī)A雜,該類夾雜 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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