自紧式钻夹头开裂原因分析

自紧式钻夹头开裂原因分析方振麟，陈安，吕祺、王炜（杭州钢铁集团公司技术质量处，浙江杭州 310022）摘要：针对12L14易切削钢在加工自紧式钻夹头过程中发生开裂的情况，进行了探伤试验并从化学成分、金相检测、夹杂物检测及电镜、能谱检测等方面进行分析。

结果表明：夹头及圆钢中存在表面细裂纹、翘皮、贯穿性裂纹及外来夹杂物等缺陷。

经分析：以Al2O3为主的超长夹杂物及硫化物分布不理想是造成夹头开裂的主要因素。

关键词：12L14易切削圆钢；Al2O3夹杂物；开裂中图分类号：TG704,TG331 文献标志码：A 文章编号：Analysis of Self Locking Type Drill Chuck Crack Reason FANG Zhen-lin，CHEN An，Lv Qi, WANG Wei(Technical quality management of Hangzhou Iron And Steel Group Company，Hangzhou 310022，Zhejiang，China) Abstract: According to the 12L14 Easy-cutting steel in processing self-tightening chuck occurred during the cracking process is tested, and the chemical compositions, metallographic examination, SEM and energy spectrum detection analysis were carried out. The results showed that: chuck and bar are present on the surface fine cracks, wrapping, cracks and foreign inclusion. Through the analysis of the foreign inclusions: The steel has long dominated by Al2O3and sulfide inclusions distribution is not ideal is the main factors causing cracking of chuck.Key words: 12L14 Easy-cutting steel；Al2O3inclusion；cracking12L14圆钢属于铅硫复合易切削结构钢。

硫以硫化物形式分布在钢中，由于MnS夹杂物割断了基体连续性而使车丝易断；铅则以微小单质金属颗粒分布于钢中并在钢中不固熔，车削加工过程铅颗粒呈熔融状析出，从而起到润滑作用来改善钢的切削性能[1]。

12L14钢主要依靠MnS和Pb的润滑作用，使钢的切屑细碎，降低刀具磨损，最终延长刀具寿命，已广泛用作制造精密仪表零件、汽车零件和各类机械的重要零件。

某单位采购直径为φ36mm的12L14易切削圆钢760余吨用于加工夹头。

生产工艺为：φ36mm 圆钢酸洗—磷化—冷拔至φ33.4mm—下料—车削（外径Φmax为32.8mm）—铣孔—挤齿—成品。

首批投料170吨，在生产、检验及使用过程中均发现零件存在裂纹缺陷，比例约为10%，裂纹主要集中在铣孔端，并沿纵向扩展（见图1a）。

作者简介：方振麟（1980—），男，大学本科，工程师； E-mail：fangzhenlin@（a）夹头裂纹形貌（b）冷拔后圆钢横截面裂纹形貌图1 宏观缺陷照片Fig。

1 Photograph of macroscopical defects1 工艺试验为杜绝带缺陷的成品流入终端市场，同时考虑到成品检验工序将带来的生产成本增加和交货周期加长等因素，对未投料的圆钢进行了多种方式的探伤检验试验，以便杜绝不良品流出，采用9R-4C 350/550旋转涡流检测系统，分两步骤进行探伤试验：（1）圆钢全数修磨后，进行涡流探伤检验；（2）对探伤后无缺陷圆钢进行冷拔加工后，再次探伤检验。

试验结果表明：修磨后圆钢带缺陷比例约12%，主要缺陷为表面翘皮、细小裂纹；冷拔后圆钢报废比例报废比例为34%，主要缺陷为纵向裂纹（见图1b）与表面“Y”形裂纹。

2 理化检测2.1 化学成分检测从不同冶炼炉次所轧制的圆钢中取试样3个，进行化学成分分析，化学成分值见表1。

表1 圆钢的化学成分Table.1 Chemical composition of steel wt%由上表知：检验的3炉次圆钢，成分符合12L14钢的要求，其中Mn/S≈3,[O]Avg≈104ppm。

2.2 金相检测2.2.1 显微组织检测从图1b裂纹处取横向样，磨抛后经4%硝酸酒精溶液侵蚀，在金相显微镜下观察裂纹两侧显微组织，裂纹呈“内宽外窄”形貌，长度为1.2cm，组织为铁素体+少量珠光体，两侧无脱碳，编号 C Si Mn P S Pb Ni Cr Cu AL Als O N10.10 0.016 1.00 0.068 0.33 0.30 0.05 0.04 0.16 0.002 0.0000 0.0112 0.008420.10 0.017 1.01 0.068 0.34 0.30 0.05 0.04 0.15 0.002 0.0004 0.0092 0.008230.10 0.016 1.00 0.067 0.33 0.31 0.05 0.04 0.15 0.002 0.0009 0.0108 0.0083 标准值≤0.15 ≤0.15 0.85～1.15 0.04～0.09 0.26～0.35 0.15～0.35裂纹为穿晶开裂，部分区域伴有沿晶开裂的次生裂纹（见图2a，×100倍）；表面“Y”形缺陷处裂纹深度为0.25mm，根部圆滑无次生裂纹（见图2b）。

（a）冷拔圆钢裂纹形貌（b）表面“Y”形裂纹金相照片图2 裂纹处显微组织Fig. 2 Microstructure of cracks2.2.2 非金属夹杂物检测在图1a示夹头和图1b示圆钢上取样按GB/T10561-2005标准进行非金属夹杂物检测，100倍下 B类、D类、DS类夹杂均为0级，但C类夹杂物异常，C类粗系均为2.5级，细系分别为2.5级、1.5级。

两试样中均存在超长C类夹杂物，长度分别为1.2mm、1mm（见图3）。

（a）夹头处夹杂物形貌（b）圆钢试样夹杂物形貌图3 夹杂物形态及分布Fig.3 The shape and distribution of the inclusions2.2.3 电镜扫描及能谱分析针对显微组织试样裂纹处及超长C类夹杂物处分别进行电镜扫描和能谱分析。

（1）将图2（a）中的样品进行扫描电镜和能谱分析：次生裂纹处为硫化物，裂纹沿硫化物分布较为集中的位置扩展（见图4），裂纹末端硫化物聚集处存在连续孔隙（见图5），随冷变形量的进一步加大，该位置的孔隙极易引起进一步扩展。

（2）12L14为低碳低硅钢种，采用铝脱氧，形成C类（硅酸盐类）夹杂物的可能性较小，经多次对超长夹杂物能谱分析，进一步证实：超长夹杂物以Al2O3、MnO等氧化物为主,同时存在F、Mg、Ca等外来夹杂物的特征元素，而非C类夹杂物（见图6），元素重量百分比、原子百分比见表2示。

（a）次生裂纹处电镜照片（b）能谱分析图4 次生裂纹处电镜、能谱分析Fig.4 Electron microscope and energy spectrum analysis on Secondary cracks(a) 硫化物集中位置（b）能谱分析图5 硫化物聚集处电镜、能谱照片Fig.5 Electron microscope and energy spectrum analysis on sulfide元素O Al Fe Mn C F Mg Si Ca 重量百分比33.75 22.55 20.01 16.47 3.82 1.45 1.2 0.33 0.33 原子百分比51.85 20.54 8.85 7.37 7.82 1.87 1.21 0.29 0.23 讨论由探伤试验结果可以看出：冷拔圆钢较修磨后圆钢的缺陷比例明显增多，且裂纹深度加深；冷拔圆钢的裂纹缺陷主要有两种形式：一种是纵向裂纹，深度达 1.2cm，后续加工无法消除；一种是表面呈翘皮状，类似“Y”形的裂纹，“Y”形裂纹根部圆滑无次生裂纹，多批次检测后发现其深度在0.08～0.25mm之间，该类缺陷深度较浅，后续加工过程中能够车除，因此可以推断导致夹头钻报废的裂纹缺陷主要形成于冷拔加工过程。

结合金相、电镜分析可以看出：超长夹杂物是导致圆钢冷拔后开裂的主要因素。

经多次取样进行夹杂物分析，发现超长夹杂物的频率高达56%，超长夹杂物呈点链状分布，主要以Al2O3、MnO、氧化铁为主，CaF、SiO2、MgO等少量存在，经换算Al2O3、MnO的质量百分数分别为43%、26%。

由夹杂物的组成可以看出此类夹杂物为外来夹杂物，符合保护渣特性，主要形成于钢的熔炼、出钢和浇铸过程中。

硫系易切削钢高氧含量、高硫含量，钢水流动性差、粘度大，降低了钢水的表面张力，使钢渣分离困难，易造成钢渣卷入[2]。

当钢液在与耐火材料和炉渣接触中，炉渣被卷入钢液中或是耐火材料在高温受到冲蚀、剥落进入钢液之中，都将形成钢中夹杂物。

Al2O3类夹杂物属于脆性夹杂物，熔点高，在热轧过程中形状和尺寸不发生变化，但夹杂物的分布有变化[3]。

由于Al2O3类夹杂物的存在破坏了金属基体的连续性，在冷拔过程中，在夹杂物处引起应力集中，导致圆钢产生由脆性夹杂物处形成裂纹源，随冷变形量的加大裂纹不断向圆钢表面扩展，形成“内宽外窄”的裂纹形貌。

由图3还可以看出MnS夹杂物形态分布不理想，呈条带状、较集中分布，未形成纺锤状弥散分布，冷变形中次生裂纹沿MnS较为集中的区域扩展，进一步加剧了裂纹的形成。

4 结论和建议1）夹头钻成分符合标准要求；探伤后发现的表面翘皮、细裂深度较浅，后续车削加工能消除。

因此，成分和表面缺陷不是形成夹头钻开裂的主要原因；2) 以Al2O3为主的超长型脆性夹杂物的存在，破坏了金属基体的连续性，在冷拔及挤齿过程中致使应力集中，是导致冷拔过程开裂的主要因素[4]；同时，MnS形态分布不理想，促使裂纹沿MnS聚集处延伸，进一步加剧了裂纹的扩展。

3）为避免超长脆性夹杂物的存在，冶炼过程应选用高碱度保护渣，确保软吹氩时间及强度以保证Al2O3等夹杂物能充分上浮，同时做好全程保护浇注，避免卷渣、耐材侵蚀剥落、水口结瘤等情况发生；研究表明：12L14钢中硫化物呈球形或者纺锤形有利于钢的冷变形，提高切削性能，通过精炼过程喂钙处理能有效改善硫化物形态分布[5]。