摘要:较为全面且深入地阐述了含有内生夹杂物、表面夹渣、带状偏析的3种锻钢件中常见冶金缺陷造成的淬火开裂。对产品的制造工艺、裂纹形貌、显微组织等进行分析。结果表明:影响淬火开裂的因素为淬火应力、应力集中、冶金缺陷等,尤其与夹杂物类缺陷的分布位置关系很大。
关键词:夹杂物;表面夹渣;带状偏析;应力集中;淬火裂纹
中图分类号:TH.2;TB31文献标志码:A文章编号:-()06--06
淬火裂纹是常见的淬火缺陷,其产生的原因是多方面的,如:选材、结构设计、工艺制定、参数选择(加热、保温、冷却、介质)、操作方式以及原材料质量等。通常,淬火裂纹是指工件在淬火过程中发生的开裂现象,其是在产生大量马氏体时,或在淬火完成、将零件从冷却剂中取出之后,或者是在淬火后、经过几小时至几十小时后发生的[1]。从裂纹形态角度考虑,淬火裂纹基本上分为纵向裂纹、弧型裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和应力集中裂纹等[2-4]。
随着我国热处理行业的快速发展,关于淬火开裂方面的研究有很多[5-7],主要集中在工艺制定、参数选择、操作方式等方面,对原材料的研究则相对较少,这是因为原材料缺陷更为直观明了,不确定因素相对较少。铸态金属常见的缺陷有缩孔、疏松、气泡、裂纹、白点、夹杂物、夹渣、偏析等,而较为重要的机械零部件成型方式通常为锻造成型。锻件中常见的冶金缺陷有白点、夹杂物、夹渣、偏析等。
1夹渣造成的淬火裂纹
1.1案例分析
该齿轮轴材料为20CrMnMo钢,其采用渗碳+直接淬火的热处理工艺,淬火后发现一件产品发生开裂,齿轮轴宏观形貌如图1所示,由图1可知:裂纹沿齿轮轴纵向分布及扩展,呈典型的应力开裂特征,且裂纹径向扩展深度已大于半径,但尚未穿透。根据裂纹形态无法判断起裂位置,需对裂纹处进行解剖分析。裂纹处断口宏观形貌如图2所示,裂纹源位于图中圆圈标记区域,裂纹长度约为30mm,整体轴向分布,距离表面约3mm。
1.2理化检验
1.2.1扫描电镜(SEM)及能谱分析
对图2中的断口进行扫描电镜和能谱分析,结果(见图3)显示线状裂纹源宽度约为0.1mm,裂纹源区密集分布着颗粒物,能谱分析结果显示其主要成分为氧化铝(见图4和表1)。裂纹源区氧化铝颗粒分布虽密集,但单颗粒尺寸(直径)多数小于5μm。
1.2.2金相检验
沿图2中虚线处取样,并将其置于光学显微镜下观察,结果如图5所示,由图5可知:表面渗碳层深度约为1mm,组织为针状回火马氏体+残留奥氏体;裂纹源处未见氧化层和脱碳层;齿轮轴心部组织为回火马氏体+贝氏体,可见其处于完全淬透的状态,即表层区域处于最大拉应力状态;沿齿轮轴纵向取样,并对其进行非金属夹杂物检查,D类评定级别为0.5级,未见其他类型夹杂物。
1.3小结
齿轮轴原材料洁净度良好,纵向有典型的淬火裂纹,根据放射状裂纹收敛方向可判断:淬火开裂的原因为沿齿轮轴近表面纵向分布的大尺寸夹渣。一方面夹渣造成局部应力集中,另一方面为齿轮轴完全淬透,淬火残余应力为相变应力型。在淬火过程中,夹渣处极易成为裂纹源,上述夹渣实为大量聚集分布的细小氧化铝颗粒,为脱氧产物。
2夹杂物造成的淬火裂纹
2.1案例分析
该齿轮材料为18CrNiMo7-6钢,制造工艺为:原材料?锻造?粗车?轮齿加工?渗碳?淬火和回火?精车?钻油孔?磨齿?磁粉检测?清洗,清洗后发现齿轮内孔环油槽部位出现周向裂纹。18CrNiMo7-6钢齿轮轴宏观形貌如图6所示。开裂部位见图6中箭头处,恰好位于变径过渡区域的环油槽处;整个断口呈一次性脆性断裂特征,断面无氧化、腐蚀迹象[8]。根据放射状裂纹收敛方向可知,断面上油孔两侧近齿轮内孔边缘浅表层存在两处裂纹源,分别编号为A和B。
2.2理化检验及有限元模拟
2.2.1扫描电镜和能谱分析
裂纹源A处的SEM形貌和元素分布如图7所示,裂纹源A距离油孔边缘4mm,位于齿轮内孔浅表层1mm,裂纹源区聚集分布着大量粗块状硫化锰夹杂物,且无方向性,裂纹自该处起源并向周围扩展。另外,裂纹源B距离油孔边缘1mm,位于齿轮内孔浅表层2mm处,整体特征同裂纹源A。
2.2.2低倍检验
在裂纹源下方10mm处取样并进行低倍检验,结果如图8所示,距内孔边缘约15mm处存在明显的枝晶状偏析,说明该处锻造比不足。这也使得裂纹源部位硫化锰夹杂物粗大且无方向性,造成该处应力集中严重。
2.2.3有限元模拟计算
为了验证齿轮结构的可靠性,通过有限元方法计算出该齿轮在车轴过盈状态下的应力分布,结合残余应力分析结果,考察齿轮发生失效的可能性。有限元分析时,在齿轮与车轴之间建立接触关系,并分别设置两面间过盈量为0.35,0.41mm。计算结果显示:最大局部应力出现在环油槽和注油孔相贯处,分别为.6,.4MPa(见图9),证明注油孔本身在结构上为应力集中点。
2.3小结
裂纹源处存在MnS夹杂物偏聚现象,属于原材料缺陷;且该缺陷在后续成型(锻造)过程中未能有效消除或改变形态,再加上其恰好分布于最大应力集中处,致使材料发生一次性开裂,该区域锻造比不足对裂纹的扩展起促进作用。同理,疏松等缺陷也会导致淬火裂纹[9]。
3偏析造成的淬火裂纹
3.1案例分析
阀体材料为钢,制造工艺为:圆钢→冷拉(六角)→断料→调质→喷丸→车外圆和镗孔。经统计,某批次产品在调质过程中发生批量开裂事故。图10为坯料实物及断口宏观形貌,裂纹贯穿整个长度方向,沿纵向分布,且径向扩展深度大于半径。起裂部位为试样表面,起裂处未见夹渣、疏松等原材料缺陷,整个断口呈一次性脆性断裂特征。
3.2理化检验
3.2.1低倍检验
对原材料和六角断料试样进行低倍检验,结果如图11所示,发现二者均存在较大范围的枝晶偏析现象。
3.2.2化学成分分析
采用直读光谱仪对试样材料进行化学成分分析,结果如表2所示,可见其化学成分满足标准ASTMA29/A29M—《热锻及冷加工碳素钢和合金钢棒化学成分》的要求。
3.2.3金相检验和硬度测试
阀体的金相检验结果如图12所示,可见裂纹面刚直有力,无原材料缺陷,组织以回火索氏体为主,无氧化、脱碳现象,整体呈应力开裂特征。值得注意的是,整个裂纹面沿带状偏析处分布,且横截面较大范围内枝晶偏析极为严重。对图12a)中区域1和区域2进行显微硬度测试,发现两处硬度分别为HV和HV,这是因为前者为回火索氏体,而后者掺杂有部分贝氏体。对试样进行完全退火(℃保温,1.5h后控温炉冷)后,检查带状组织级别,数条由等轴晶粒和变形晶粒组成的贯穿视场的铁素体-珠光体交替带的评定级别约为4~5级,表明原材料偏析严重。
3.3小结
阀体原材料的化学成分合格,组织以回火索氏体为主,偏析现象严重,带状组织级别约为4~5级。断口整体呈应力开裂特征,结合裂纹分布、断面组织及其制造工艺可知:开裂发生于淬火过程中,属于组织应力型残余应力导致的淬火裂纹,其产生原因与严重的成分偏析有关。
4综合分析
案例1和案例2都属于夹杂物造成的淬火开裂,案例1为大量小颗粒氧化铝聚集成的大尺寸表面“夹渣”,通常表面夹渣是指铸坯表皮下2~10mm镶嵌有大块的渣子,因而也称皮下夹渣[10]。从夹渣的组分来看,Mn-Si酸盐系夹杂物的尺寸大、而深度浅,Al2O3系夹杂物细小而深度深,案例1中夹渣属于后者,这类夹渣通过正确的操作是可以避免的。由于其尺寸大、脆性大,与基体的结合能力弱,本身就是一个应力集中源,加工过程中不易变形,容易发生碎裂,形成更多的显微裂纹,甚至与基体分离[11]。案例1中造成淬火开裂的原因可以从3个方面考虑:①夹渣自身尺寸大、脆性大、分布范围广,应力集中明显且分布在表层区域;②齿轮轴被完全淬透,淬火残余应力属于组织应力型,表层区域所受拉应力最大;③齿轮轴采用渗碳+直淬的热处理工艺,表层残留奥氏体增加,同时马氏体较粗大,进一步增大了淬火应力。一般夹渣造成的淬火开裂满足前两者即可。
相比较而言,案例2中的硫化锰夹杂物分布比较均匀,颗粒也较小,正确的操作和合理的工艺措施可减少其数量和改变其大小、分布,但一般是不可避免的。案例2中夹杂物为A类塑性夹杂,该类夹杂物可沿变形方向延伸成条带状,危害相对较小。齿轮从硫化锰夹杂物处起裂,主要原因有3点:①夹杂物的形态和分布,裂纹源处硫化物数量多,呈粗块状,且聚集分布,破坏了基体的连续性,增加了钢中组织的不均匀性,导致局部应力集中;②设计因素,经有限元模拟计算可知,齿轮起裂处恰好为最大应力集中区;③局部锻造比不足,齿轮内孔采用镗孔成型,对于中大型锻件而言,内孔附近锻造比非常小,该区枝晶偏析明显。
案例3中带状偏析严重,级别高达4~5级。带状组织是影响锻钢件产品内在质量的主要因素之一,破坏了钢基体的连续性,使钢的性能产生明显的各向异性,横向塑、韧性远低于纵向,而元素偏析则是产生带状组织最根本的原因[12]。成分偏析对钢的淬透性有着显著的影响[13],富化区导致淬透性增加,反之,淬透性降低。这也是富化区组织为回火索氏体,而“贫化区”掺杂有贝氏体的主要原因。
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册59卷6期(pp:1-6)
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