摘 要:較為全面且深入地闡述了含有內生夾雜物、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。對產品的制造工藝、裂紋形貌、顯微組織等進行分析。結果表明:影響淬 火開裂的因素為淬火應力、應力集中、冶金缺陷等,尤其與夾雜物類缺陷的分布位置關系很大。
關鍵詞:夾雜物;表面夾渣;帶狀偏析;應力集中;淬火裂紋
中圖分類號:TH133.2;TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0001-06
淬火裂紋是常見的淬火缺陷,其產生的原因 是多方面的,如:選材、結構設計、工藝制定、參數 選擇(加熱、保溫、冷卻、介質)、操作方式以及原材 料質量等。通常,淬火裂紋是指工件在淬火過程 中發生的開裂現象,其是在產生大量馬氏體時,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、經過幾小時至幾十小時后發生的[1]。 從裂紋形態角度考慮,淬火裂紋基本上分為縱向 裂紋、弧型裂紋、網狀裂紋、剝離裂紋和應力集中 裂紋等[2-4]。
隨著我國熱處理行業的快速發展,關于淬火 開裂方面的研究有很多[5-7],主要集中在工藝制 定、參數選擇、操作方式等方面,對原材料的研究 則相對較少,這是因為原材料缺陷更為直觀明了, 不確定因素相對較少。鑄態金屬常見的缺陷有縮 孔、疏松、氣泡、裂紋、白點、夾雜物、夾渣、偏析等, 而較為重要的機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、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,淬火后發現一件產品發生 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展,呈典型的應力開裂特 征,且裂紋徑向擴展深度已大于半徑,但尚未穿透。 根據裂紋形態無法判斷起裂位置,需對裂紋處進行 解剖分析。裂紋處斷口宏觀形貌如圖2所示,裂紋 源位于圖中圓圈標記區域,裂紋長度約為30mm, 整體軸向分布,距離表面約3mm。
1.2 理化檢驗
1.2.1 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
對圖2中的斷口進行掃描電鏡和能譜分析,結果 (見圖3)顯示線狀裂紋源寬度約為0.1mm,裂紋源區 密集分布著顆粒物,能譜分析結果顯示其主要成分為 氧化鋁(見圖4和表1)。裂紋源區氧化鋁顆粒分布雖 密集,但單顆粒尺寸(直徑)多數小于5μm。
1.2.2 金相檢驗
沿圖2中虛線處取樣,并將其置于光學顯微鏡 下觀察,結果如圖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,即表層區域處于最大拉應力狀態;沿齒輪軸縱 向取樣,并對其進行非金屬夾雜物檢查,D類評定級 別為0.5級,未見其他類型夾雜物。
1.3 小結
齒輪軸原材料潔凈度良好,縱向有典型的淬火 裂紋,根據放射狀裂紋收斂方向可判斷:淬火開裂的 原因為沿齒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力集中,另一方面為齒輪軸完 全淬透,淬火殘余應力為相變應力型。在淬火過程 中,夾渣處極易成為裂紋源,上述夾渣實為大量聚集 分布的細小氧化鋁顆粒,為脫氧產物。
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?清洗,清洗后發 現 齒 輪 內 孔 環 油 槽 部 位 出 現 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域的 環油槽處;整個斷口呈一次性脆性斷裂特征,斷面無 氧化、腐蝕跡象[8]。根據放射狀裂紋收斂方向可知, 斷面上油孔兩側近齒輪內孔邊緣淺表層存在兩處裂 紋源,分別編號為 A和B。
2.2 理化檢驗及有限元模擬
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,位于齒輪內孔淺表層1mm,裂紋源區聚集分布著大量粗塊狀硫化 錳夾雜物,且無方向性,裂紋自該處起源并向周圍擴 展。另外,裂紋源B距離油孔邊緣1mm,位于齒輪 內孔淺表層2mm處,整體特征同裂紋源 A。
2.2.2 低倍檢驗
在裂紋源下方10mm處取樣并進行低倍檢驗, 結果如圖8所示,距內孔邊緣約15mm處存在明顯 的枝晶狀偏析,說明該處鍛造比不足。這也使得裂 紋源部位硫化錳夾雜物粗大且無方向性,造成該處 應力集中嚴重。
2.2.3 有限元模擬計算
為了驗證齒輪結構的可靠性,通過有限元方法 計算出該齒輪在車軸過盈狀態下的應力分布,結合 殘余應力分析結果,考察齒輪發生失效的可能性。 有限元分析時,在齒輪與車軸之間建立接觸關系,并 分別設置兩面間過盈量為0.35,0.41mm。計算結 果顯示:最大局部應力出現在環油槽和注油孔相貫 處,分別為443.6,519.4MPa(見圖9),證明注油孔本身在結構上為應力集中點。
2.3 小結
裂紋源處存在 MnS夾雜物偏聚現象,屬于原材 料缺陷;且該缺陷在后續成型(鍛造)過程中未能有 效消除或改變形態,再加上其恰好分布于最大應力 集中處,致使材料發生一次性開裂,該區域鍛造比不 足對裂紋的擴展起促進作用。同理,疏松等缺陷也 會導致淬火裂紋[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→調質→噴丸→車外圓和鏜孔。經統 計,某批次產品在調質過程中發生批量開裂事故。 圖10為坯料實物及斷口宏觀形貌,裂紋貫穿整個長 度方向,沿縱向分布,且徑向擴展深度大于半徑。起 裂部位為試樣表面,起裂處未見夾渣、疏松等原材料 缺陷,整個斷口呈一次性脆性斷裂特征。
3.2 理化檢驗
3.2.1 低倍檢驗
對原材料和六角斷料試樣進行低倍檢驗,結果如圖 11所示,發現二者均存在較大范圍的枝晶偏析現象。
3.2.2 化學成分分析
采用直讀光譜儀對試樣材料進行化學成分分 析,結果如表 2 所示,可見其化學成分滿足標準 ASTMA29/A29M—2004《熱鍛及冷加工碳素鋼和 合金鋼棒化學成分》的要求。
3.2.3 金相檢驗和硬度測試
閥體的金相檢驗結果如圖12所示,可見裂紋面 剛直有力,無原材料缺陷,組織以回火索氏體為主, 無氧化、脫碳現象,整體呈應力開裂特征。值得注意 的是,整個裂紋面沿帶狀偏析處分布,且橫截面較大 范圍內枝晶偏析極為嚴重。對圖12a)中區域1和 區域2進行顯微硬度測試,發現兩處硬度分別為 360HV 和320HV,這是因為前者為回火索氏體, 而后者摻雜有部分貝氏體。對試樣進行完全退火 (890℃保溫,1.5h后控溫爐冷)后,檢查帶狀組織 級別,數條由等軸晶粒和變形晶粒組成的貫穿視場 的鐵素體-珠光體交替帶的評定級別約為4~5級, 表明原材料偏析嚴重。
3.3 小結
閥體原材料的化學成分合格,組織以回火索氏 體為主,偏析現象嚴重,帶狀組織級別約為4~5級。 斷口整體呈應力開裂特征,結合裂紋分布、斷面組織 及其制造工藝可知:開裂發生于淬火過程中,屬于組 織應力型殘余應力導致的淬火裂紋,其產生原因與 嚴重的成分偏析有關。
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]。 從夾渣的組分來看,Mn-Si酸鹽系夾雜物的尺寸大、 而深度淺,Al2O3 系夾雜物細小而深度深,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,與基體的結合能力 弱,本身就是一個應力集中源,加工過程中不易變 形,容易發生碎裂,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 個方面考慮:① 夾渣自身尺寸大、脆性大、分布范圍 廣,應力集中明顯且分布在表層區域;② 齒輪軸被 完全淬透,淬火殘余應力屬于組織應力型,表層區域 所受拉應力最大;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,同時馬氏體較粗大, 進一步增大了淬火應力。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類塑性夾雜,該類夾雜 物可沿變形方向延伸成條帶狀,危害相對較小。齒 輪從硫化錳夾雜物處起裂,主要原因有3點:① 夾 雜物的形態和分布,裂紋源處硫化物數量多,呈粗塊 狀,且聚集分布,破壞了基體的連續性,增加了鋼中 組織的不均勻性,導致局部應力集中;② 設計因素, 經有限元模擬計算可知,齒輪起裂處恰好為最大應 力集中區;③ 局部鍛造比不足,齒輪內孔采用鏜孔 成型,對于中大型鍛件而言,內孔附近鍛造比非常 小,該區枝晶偏析明顯。
案例3中帶狀偏析嚴重,級別高達4~5級。帶 狀組織是影響鍛鋼件產品內在質量的主要因素之一,破壞了鋼基體的連續性,使鋼的性能產生明顯的 各向異性,橫向塑、韌性遠低于縱向,而元素偏析則 是產生帶狀組織最根本的原因[12]。成分偏析對鋼 的淬透性有著顯著的影響[13],富化區導致淬透性增 加,反之,淬透性降低。這也是富化區組織為回火索 氏體,而“貧化區”摻雜有貝氏體的主要原因。
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