锻钢件中常见冶金缺陷造成的淬火开裂.pdf

专题报道2023年第59 卷#16PTCA(PARTA:PHYS.TEST.)理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl202306001锻钢件中常见冶金缺陷造成的淬火开裂李平平，李玉新，徐燕，吴飞虎，梁雪冬，王群，刘德华（1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，常州213011;2.中国铁路武汉局集团有限公司江岸机务段，武汉43 0 3 0 1)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：TH133.2；T B3 1文献标志码：A文章编号：1 0 0 1-40 1 2(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-0 6Quenching crack caused by commonmetallurgical defects in forged steel partsLI Pingping,LI Yuxin,XU Yan,WU Feihu,LIANG Xuedong,WANG Qun,LIU Dehua(1.CRRC Qishuyan Institute Co.,Ltd.,Changzhou 21301l,China;2.Jiangan Locomotive Depot of China Railway Wuhan Bureau Group Co.,Ltd.,Wuhan 43030l,China)Abstract:Quenching crack caused by common metallurgical defects in three kinds of forged steel partscontaining indigenous inclusion,surface slag and banded segregation was described comprehensively and deeply.The product manufacturing process,crack morphology and microstructure were analyzed.The results show that thefactors affecting quenching crack were quenching stress,stress concentration,metallurgical defects,etc.,especiallythe distribution position of inclusion defects was closely related.Keywords:inclusion;surface slag;banded segregation;stress concentration;quenching crack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门。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，收稿日期：2 0 2 2-1 2-0 2作者简介：李平平（1 9 8 7 一），男，硕士，高级工程师，主要从事机械零部件的失效分析工作，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夹渣造成的火裂纹1.1案例分析该齿轮轴材料为2 0 CrMnMo钢，其采用渗碳十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3 0 mm，整体轴向分布，距离表面约3 mm。2李的火开裂理化检验-物理分册101112131415图120CrMnMo钢齿轮轴宏观形貌图2齿轮轴裂纹处断口宏观形貌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0.1 mm，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5m。100m20 uma)低倍b)高倍图3裂纹源处SEM形貌语图30m图4能谱分析位置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1 mm，组织为针状回火马氏体十残留奥氏体；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十贝氏体，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表1裂纹源处颗粒物能谱分析结果%元素质量分数49.51A145.40Si0.30Cr0.50Mn0.65KFe3.641.3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1 8 CrNiMo7-6钢，制造工艺为：原材料锻造粗车轮齿加工渗碳火和回火精车钻油孔磨齿磁粉检测清洗，清李平成的淬火开裂理化检验-物理分册50um50ma）表面组织形貌b）裂纹源处抛光态微观形貌20um100umc）心部组织形貌d）非金属夹杂物微观形貌图5齿轮轴试样金相检验结果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a)整体b)断口图618CrNiMo7-6钢齿轮轴宏观形貌裂纹源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4mm100uma)低倍b)高倍c)S元素分布d)Mn元素分布图7裂纹源A处的SEM形貌和元素分布李平平造成的火开裂牛快理化检验-物理分册表层1 mm，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1 mm，位于齿轮内孔浅表层2 mm处，整体特征同裂纹源A。2.2.2低倍检验在裂纹源下方1 0 mm处取样并进行低倍检验，结果如图8 所示，距内孔边缘约1 5mm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。图8裂纹源下方低倍形貌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0.3 5，0.41 mm。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443.6，51 9.4MPa（见图9），证明注油孔图9齿轮轴应力分布有限元分析结果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 9O3偏析造成的淬火裂纹3.1案例分析阀体材料为41 40 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1 0 为坏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。7891011121a)坏料实物b)断口图1 0坏料实物及断口宏观形貌5李平平，等：锻钢件中常见冶金缺陷造成的萍火开裂理化检验-物理分册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/A29M2004热锻及冷加工碳素钢和合金钢棒化学成分的要求。a)原材料b)六角断料图1 1阀体原材料和六角断料低倍腐蚀形貌表24140钢阀体的化学成分分析结果%质量分数项目CSiMnPSCrMo实测值0.440.270.800.0150.0031.090.21标准值0.380.450.170.370.500.800.0350.0350.901.200.150.253.2.3金相检验和硬度测试阀体的金相检验结果如图1 2 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1 2 a）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360HV和3 2 0 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（8 9 0 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45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45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。100um100uma）裂纹面显微组织形貌b）基体显微组织形貌100um20mc）带状显微组织形貌（低倍）d）带状显微组织形貌(高倍）图1 2阀体的金相检验结果6欢迎订阅欢迎赐稿欢迎刊登广告和信息欢迎订阅欢迎赐稿欢迎刊登广告和信息和信欢刊登欢迎迎订阅赐稿迎李平平，等：锻钢件中常见冶金缺陷造成的淬火开裂理化检验-物理分册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坏表皮下2 10mm镶嵌有大块的渣子，因而也称皮下夹渣 1 0 从夹渣的组分来看，Mn-Si酸盐系夹杂物的尺寸大、而深度浅，Al2O：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 1 1 。案例1 中造成淬火开裂的原因可以从3个方面考虑：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；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；齿轮轴采用渗碳十直淬的热处理工艺，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：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；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；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45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 1 2 。成分偏析对钢的淬透性有着显著的影响 1 3 ，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。参考文献：1刘宗昌.火开裂及防止方法（续）.热处理，2 0 1 0，25(5):75-84.2刘宗昌.火裂纹形态及影响因素.包头钢铁学院学报,1 9 9 1,1 0(1):44-49.3朱荆璞.钢的火裂纹及其避免方法门.沈阳工业大学学报，1 9 6 4(1)：6 9-7 8.4王荣.机械装备的失效分析（续前）第8 讲失效诊断与预防技术（3)J.理化检验（物理分册），2 0 1 8，54(4):244-255.5平海凤.成功的热处理工艺淬火裂纹的对策（二）J.国外金属热处理，1 9 9 8 1 9（5：1 3-1 5.6祝国华，战祥丽.零件热处理裂纹的分析与对策（二）J.机械工人（热加工），2 0 0 4（9）：52-53.7孙盛玉.热处理裂纹若干问题的初步探讨 J.金属热处理,2 0 0 9,3 4(1 0):1 0 9-1 1 4.8陈亮，吴刚，谭小明，等.大型从动齿轮油槽开裂原因分析 J.金属加工（热加工），2 0 1 7（3）：1 4-1 7,2 0.9耿传芸，朱敏涛，杨学婧.3 5CrMo圆钢零件调质开裂原因分析 J.理化检验（物理分册），2 0 1 5，51（3）：222-224.10苏瑞先.连铸夹渣类缺陷的成因分析和控制措施J.特殊钢,2 0 1 1,3 2(1)：2 7-2 9.11周寿好，龚志翔.车轮轮箍钢失效与夹杂物控制 J.钢铁研究，2 0 0 0,2 8（6）：1 2-1 5.12张延玲，刘海英，阮小江，等.中低碳齿轮钢中合金元素的偏析行为及其对带状组织的影响 J.北京科技大学学报，2 0 0 9,3 1(1)：1 9 9-2 0 5.13杨其萍，杨培义.钢锭成分偏析对淬透性的影响.钢铁研究总院学报，1 9 8 6（4)：6 7-7 3.