45钢锯切开裂原因分析

总第２３５期
２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀南㊀方㊀金㊀属ＳＯＵＴＨＥＲＮＭＥＴＡＬＳ
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Ｓｕｍ.２３５Ａｕｇｕｓｔ㊀２０２０㊀
㊀收稿日期:２０２０－０２－１３ꎻ修订日期:２０２０－０３－０６
㊀作者简介:董凤奎(１９８９－)ꎬ男ꎬ２０１２年毕业于安徽工业大学材料科学与工程专业ꎬ工程师ꎮ
㊀文章编号:１００９－９７００(２０２０)０４－００４９－０４
４５钢锯切开裂原因分析
董凤奎ꎬ麻国晓ꎬ钟芳华ꎬ刘小兰ꎬ卓㊀娟ꎬ杨雄强
(宝武集团广东韶关钢铁有限公司ꎬ广东韶关５１２１２３)
摘㊀要:针对４５钢锯切后发现的试样近表面环形开裂问题ꎬ使用直读光谱仪(ＯＥＳ)㊁光学显微镜(ＯＭ)和扫描电子显微镜(ＳＥＭ)等观察分析手段ꎬ对开裂试样进行了化学成分检测㊁扫描电镜分析㊁金相检测㊁硬度检测ꎮ结果表明:试样中心存在严重的片状珠光体偏析ꎬ致使心部较正常部位强度㊁硬度高ꎬ塑性低ꎬ在后续的拉拔过程中偏析区域与基体不协调的变形导致心部偏析区域首先起裂ꎬ因此严重的片状珠光体偏析是造成４５钢锯切后近表面环形开裂的主要原因ꎮ
关键词:４５钢ꎻ拉拔ꎻ锯切ꎻ偏析
中图分类号:ＴＧ１４２.１㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ｂ
ＣａｕｓｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳａｗｉｎｇＣｒａｃｋｏｎＳｔｅｅｌ４５
ＤＯＮＧＦｅｎｇ￣ｋｕｉꎬＭＡＧｕｏ￣ｘｉａｏꎬＺＨＯＮＧＦａｎｇ￣ｈｕａꎬＬＩＵＸｉａｏ￣ｌａｎꎬＺＨＵＯＪｕａｎꎬＹＡＮＧＸｉｏｎｇ￣ｑｉａｎｇ
(ＢａｏｗｕＧｒｏｕｐＧｕａｎｇｄｏｎｇＳｈａｏｇｕａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｏｇｕａｎꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇꎬ５１２１２３ꎬＰ.Ｒ.Ｃｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｌａｒｃｒａｃｋｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓｆｏｕｎｄａｆｔｅｒｓａｗｃｕｔｔｉｎｇｔｈｅｓｔｅｅｌ４５ꎬｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ(ＯＥＳ)ꎬｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ(ＯＭ)ａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ(ＳＥＭ).Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｓｅｒｉｏｕｓｐｅａｒｌｉｔｅｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎꎬｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎａｈｉｇｈｅｒｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｈｉｇｈｅｒｈａｒｄｎｅｓｓꎬａｎｄｌｏｗｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔｈａｎｔｈｅｎｏｒｍａｌｐａｒｔ.Ｉｎｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｄｒａｗｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎬｔｈｅｄｅ￣ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎａｒｅａａｎｄｔｈｅｍａｔｒｉｘｃａｕｓｅｓｔｈｅｐａｒｔｉａｌａｒｅａｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔｏｃｒａｃｋｆｉｒｓｔ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｓｅｖｅｒｅｐｅａｒｌｉｔｅ
ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｍａｉｎｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｎｅａｒｓｕｒｆａｃｅｃｒａｃｋａｆｔｅｒｓａｗｃｕｔｔｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｅｅｌ４５ꎻｄｒａｗｉｎｇꎻｓａｗｉｎｇꎻｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ
０㊀前言
４５钢为优质碳素钢ꎬ经过正火或调质处理后ꎬ
零件具有良好的综合机械性能ꎬ被广泛应用于机械制造行业中ꎮ在机械制造行业中ꎬ通常对４５钢的内
部和外部质量有比较严格的要求ꎮ特别是对冷挤成型或冷拉拔后进行加工的零件ꎬ圆钢内部和外部质量是其非常重要的指标ꎮ如果圆钢内部存在较严重的缩孔㊁裂纹㊁夹渣等缺陷或表面存在较严重的划伤㊁麻坑㊁折叠等缺陷ꎬ将严重影响冷挤成型或冷拉拔后零件的质量ꎬ严重者将造成产品报废ꎮ
某机械零件制造厂对某钢厂生产的４５钢圆棒
进行拉拔(６５ｍｍ拉至６３ｍｍ)ң矫直ң锯切后ꎬ个别试样发现环形开裂现象ꎬ影响正常生产ꎮ为找出该产品开裂原因ꎬ对开裂试样进行了化学成分分析㊁扫描电镜微观检测㊁金相检测㊁硬度检测ꎮ通过以上手段ꎬ查明了４５钢锯切后开裂的原因ꎬ提出了改善措施ꎬ避免了后续再次出现此类开裂问题ꎮ
１㊀理化检验
１.１㊀化学分析
使用德国ＯＢＬＦＱＳＮ７５０￣Ⅱ型直读光谱仪对开裂试样的化学成分进行分析ꎬ结果见表１ꎮ
表１㊀试样化学成分
㊀ｗ/%元素ＣＳｉＭｎＰＳＣｒＮｉ实测值０.４８０.２５０.７００.０１４０.００１０.１１０.０２６标准值
０.４２~０.５０
０.１７~０.３７
０.５０~０.８０
ɤ０.０３５
ɤ０.０３５
ɤ０.２５
ɤ０.３０
㊀㊀由表１检测结果可知ꎬ试样的化学成分符合ＧＢ/Ｔ６９９－２０１５[１]标准的技术要求ꎮ
１.２㊀宏观分析
宏观观察发现锯切完成的试样上存在环形裂纹ꎬ并且内环与外环已经完全分离ꎬ如图１所示ꎮ对分离断面进行观察ꎬ断口为对应的杯锥状断口[２－３]ꎬ断口上有明显的３个区域(裂纹源区㊁快速扩展区㊁剪切唇区)ꎬ由断口上快速扩展区的放射线聚拢方向可知裂纹源位于试样心部[４]ꎬ如图２所示
ꎮ
图１㊀
切割开裂试样宏观形貌
图２㊀试样分开后断口形貌
１.３㊀电镜微观分析
在超声波清洗仪中对锥状断口表面进行清洗ꎬ去除断口表面污染物ꎬ然后使用德国蔡司ＥＶＯ１８型扫描电子显微镜观察断口形貌ꎮ试样心部裂纹源处未见异常非金属夹杂物[５]ꎬ微观下裂纹源处观察到沿珠光体中铁素体和渗碳体界面开裂形成的片层状
断口形貌[６]ꎬ如图３所示ꎮ快速扩展区为脆性解理断裂断口ꎬ断口上有明显的河流花样和二次裂纹ꎬ如
图４所示
ꎮ
图３㊀
裂纹源处微观形貌
图４㊀快速扩展区微观形貌
１.４㊀金相分析
锥状断口试样磨制横截面ꎬ抛光并用４%硝酸酒精溶液腐蚀后ꎬ使用德国莱卡ＤＭＩＬＭ型倒置数字显微镜观察其组织形貌ꎮ试样心部有明显的片状珠光体偏析区域(１.８２ｍｍˑ１.５１ｍｍ)ꎬ如图５所示ꎮ正常部位组织为片状珠光体＋铁素体ꎬ如图６所示ꎮ
０
５南㊀方㊀金㊀属ＳＯＵＴＨＥＲＮＭＥＴＡＬＳ２０２０年第４期㊀㊀
图５㊀
偏析区域显微组织
图６㊀正常部位显微组织
１.５㊀硬度检测
对杯状断口试样横截面进行磨制抛光后使用
４%的硝酸酒精溶液进行浅腐蚀ꎬ然后使用里博ＨＶ￣５０Ｚ型维氏硬度计检测试样硬度ꎬ心部片状珠光体偏析区域硬度为３５６ＨＶ１０ꎬ组织为珠光体＋铁素体的正常区域硬度为２２１ＨＶ１０ꎬ心部偏析区域硬度较正常区域严重偏高ꎮ
２㊀分析与讨论
锯切完成的试样上存在环形裂纹ꎬ并且内环与
外环已经完全分离ꎬ分离断面断口为对应的杯锥状断口ꎬ而杯锥状断口的产生通常是由于试样受到轴向拉应力造成的[７]ꎬ在此试样的生产加工过程中只有拉拔阶段会产生轴向拉应力ꎬ而锯切过程并不会产生轴向拉应力ꎬ因此可知试样在锯切前的拉拔阶段已经开裂ꎬ但是在后续的锯切阶段才显现出来ꎮ
扫描电镜下进行微观观察发现裂纹源处未见异常非金属夹杂物ꎬ由此判断试样开裂与非金属夹杂物无关[８－９]ꎮ宏观观察裂纹走向发现裂纹源位于试样心部ꎬ金相组织表明ꎬ试样心部存在片状珠光体偏
析区域ꎬ硬度检测结果也显示偏析区域硬度较基体偏高ꎬ并且裂纹源区微观下有明显沿片状珠光体中铁素体和渗碳体界面开裂形成的片层状断口形貌ꎬ由此判断裂纹产生与试样心部组织偏析有关[１０－１１]ꎮ心部偏析区域由于均是片状珠光体组织ꎬ其较组织为片状珠光体＋铁素体的正常部位强度㊁硬度高ꎬ延塑性低ꎬ在后续的拉拔变形过程中ꎬ由于偏析区域与基体不协调的变形ꎬ导致心部偏析区域首先起裂ꎬ裂纹向外围扩展形成宏观裂纹ꎮ
钢材由６５ｍｍ拉拔至６３ｍｍꎬ拉拔变形量尚小ꎬ并且在拉拔过程中钢材表面会受到附加压应力ꎬ裂纹未扩展到表面引起试样断裂ꎬ仅在钢材内部产生内部裂纹ꎬ因此在拉拔矫直阶段未发现试样开裂现象ꎬ但是此时试样内部其实已经产生较严重的内部开裂ꎮ在后续的锯切过程中ꎬ锯切位置和内部裂纹的关系将存在６种可能ꎬ如图７所示ꎮ当锯切位置未经过内部裂纹时ꎬ即使钢材存在内部裂纹也无法在锯切后发现ꎬ如图７ａ所示ꎮ只有当锯切位置刚好经过内部裂纹时ꎬ才能在锯切完成后发现裂纹ꎬ而当锯切位置刚好位于已产生的内部裂纹的特定区域时ꎬ才会在锯切面形成图１和图２所示的环形开裂现象ꎬ如图７ｅ和图７ｆ所示ꎮ
１
５㊀
总第２３５期
㊀㊀㊀㊀
㊀㊀董凤奎ꎬ等:４５钢锯切开裂原因分析
㊀㊀㊀㊀
ａ￣沿无裂纹处锯切ꎻｂ￣沿杯底锯切ꎻｃ￣沿裂纹中间锯切ꎻｄ￣沿锥顶锯切ꎻｅ￣沿剪切唇处锯切ꎻｆ￣沿剪切唇末端锯切
图７㊀锯切示意
㊀㊀心部偏析区域珠光体含量较高ꎬ表明偏析区域Ｃ含量偏高ꎮ钢液在凝固过程中ꎬ溶质元素在固液相中进行再分配时ꎬ表现为铸坯中元素分布不均匀ꎬ铸坯中心部位的Ｃ㊁Ｓ㊁Ｐ等元素含量明显高于其它部位ꎬ造成铸坯产生中心偏析现象ꎬ在轧制成钢材时便在心部产生珠光体偏析区域ꎮ心部偏析一旦形成ꎬ就无法在后续的加工和热处理工序中完全消除ꎬ严重的心部偏析对钢材的性能影响较大ꎮ正是由于钢材的心部产生了严重的中心偏析ꎬ最终导致钢材在后续拉拔过程中产生了内部开裂现象ꎮ为了改善钢材中心偏析情况ꎬ在后续４５钢的生产过程中通过在连铸环节施加适当的电磁搅拌ꎬ来减轻钢材中心偏析ꎮ通过多部位取样进行心部组织检测的方法ꎬ分析了使用电磁搅拌后生产的钢材的中心偏析情况ꎬ结果发现ꎬ使用电磁搅拌后生产的钢材心部不再存在严重的纯珠光体偏析带ꎬ而是变成了小区域的珠光体＋铁素体偏析ꎬ钢材心部偏析明显改善ꎮ机械零件制造厂改用经过电磁搅拌生产的钢材加工零件后ꎬ未再发现内部开裂现象ꎮ
３㊀结论
１)４５钢锯切后发现的环形裂纹并非产生在锯切环节ꎬ而是在拉拔时已经产生的内部裂纹在锯切后刚好显现出来ꎮ
２)引起４５钢锯切开裂的主要原因是钢材心部存在较严重的片状珠光体组织偏析ꎮ
３)通过电磁搅拌改善钢材心部偏析情况ꎬ有效地避免了此类裂纹的产生ꎮ
参考文献
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