胡婷婷,馮 聰,柏立地,劉莎莎
(1.遼寧福鞍重工股份有限公司 理化檢測中心,遼寧 鞍山 114003;2.遼寧金鋼重型鍛造有限公司 鍛錘分廠,遼寧 鞍山 114225)
海洋運輸是國際物流中最重要的運輸方式,90%以上的進(jìn)出口貨運都是依靠海上運輸[1]。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國已經(jīng)成為世界上最重要的海運大國之一。進(jìn)入新世紀(jì),中國海運事業(yè)保持快速增長發(fā)展勢頭,加快海運船舶向大型化、專業(yè)化、國產(chǎn)化方向發(fā)展給船舶制造業(yè)提供了升級機(jī)遇。大型組合式傳動曲拐是大型船用柴油機(jī)的重要組件,一直以來依靠進(jìn)口。其中大型曲拐鍛件成型是關(guān)鍵技術(shù)之一。為了實現(xiàn)低成本、高質(zhì)量、國產(chǎn)化目標(biāo),大型曲拐鍛制工藝在模鍛成型[2]、擠壓成型[3]等方面都有新的突破。
某公司與某科研所聯(lián)合承攬了S34MnV大型曲拐鍛件制造項目,在鋼錠冶鑄、鍛造模具設(shè)計制作、鍛造工藝工序、熱處理工藝諸多方面聯(lián)合進(jìn)行了研究試驗,取得了階段性成果。本文針對該項目首件試驗曲拐鍛坯在試驗過程中發(fā)生斷裂的原因展開分析探討,對試驗工藝進(jìn)行改進(jìn)和完善,有利于降低試驗成本、提高工效,對減少和預(yù)防同類機(jī)械零件的失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生都具有一定指導(dǎo)意義和社會效益。
首件曲拐鍛坯是采用LF+VD精煉,VT真空澆注的69 t S34MnV鋼錠,滿足MANB&W柴油機(jī)的各項成分及氫控制含量要求(w(H)≤0.000 2%);采用科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)聯(lián)合研制的鍛造模具及工藝。該鍛造工藝采用多次墩粗拔長后,施加拔曲柄-壓槽-彎曲-壓平曲柄臂平整后空冷至60℃;采用正火+消除應(yīng)力回火熱處理工藝處理。
曲拐鍛坯截面尺寸1 700 mm×550 mm。鍛坯空冷后放置約10 d施粗加工時,在曲臂約1/2處,鉆排孔過程中發(fā)生“炸裂”。在斷口處解剖取樣坯(尺寸:1 700 mm×550 mm×200 mm),進(jìn)行綜合檢驗分析。
圖1a是曲拐鍛坯斷裂位置,在曲臂約1/2處鉆排7個半孔后,曲臂以鉆頭頭部為裂紋源,瞬間擴(kuò)展斷裂。斷面呈亮灰色結(jié)晶斷口形貌,裂紋源及擴(kuò)展區(qū)平齊,最后瞬斷區(qū)部分可見撕裂嶺,如圖1b和圖1c所示。整個斷口觀察,裂紋源區(qū)位于近心部,約占整個斷面5%;擴(kuò)展區(qū)約占75%、瞬斷區(qū)約占20%,具體尺寸范圍詳見圖2。從斷口宏觀形貌觀察判斷,該曲臂為快速脆性斷裂[4]。
分別在斷面的裂紋源區(qū)①、擴(kuò)展區(qū)②和③、瞬斷區(qū)④取斷口殘塊進(jìn)行掃描電鏡微觀斷口觀察,取樣位置見圖2,微觀斷裂形貌如圖3所示。裂紋源區(qū)①、擴(kuò)展區(qū)②和③的斷口均呈現(xiàn)以解理斷裂為主的脆性斷裂特征[5],其解理面上可見二次裂紋,表明該區(qū)域鋼的脆性大;瞬斷區(qū)④的斷口呈現(xiàn)以解理+準(zhǔn)解理斷裂為主的脆性斷裂特征[5]。瞬斷區(qū)④出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口特征,這與表面晶粒相對細(xì)化有關(guān)。
圖1 鍛坯斷裂位置及宏觀形貌Fig.1 Fracture position in forge blank
圖2 曲拐鍛坯斷裂宏觀斷口及取樣示意圖,mmFig.2 Schematic graph of micro fracture,mm
圖3 曲拐鍛坯微觀斷裂形貌Fig.3 Micro fracture
表1 金相組織評定Tab.1 Estimation of metallographic structure
圖4 曲拐鍛坯金相組織Fig.4 Metallographic
分別在圖2的裂紋源區(qū)①和擴(kuò)展區(qū)②位置取金相檢驗樣塊,檢驗結(jié)果見表1,金相組織如圖4所示。在裂紋源區(qū)①位置的非金屬夾雜物圖4a中,可見非金屬夾雜物未超標(biāo)[6];本體、裂紋源區(qū)①以及擴(kuò)展區(qū)②金相組織均為珠光體+(網(wǎng)、塊狀)鐵素體組成,但晶粒度有較大區(qū)別,本體試片晶粒度雖然不夠均勻,但相對細(xì)小,而裂紋源區(qū)①、擴(kuò)展區(qū)②晶粒粗大,均大于1級[7]。沿晶分布細(xì)的鐵素體網(wǎng),具有脆性組織特征。晶粒長大粗化是由于該鋼坯鍛造或正火加熱溫度遠(yuǎn)超出Ac3臨界溫度,并長時間保溫所產(chǎn)生的過熱組織。
本體試片及斷裂曲拐斷口取樣化學(xué)成份分析結(jié)果見表2。與技術(shù)規(guī)定[8]相比,斷口處碳略微超出上限,但依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[9]中允許偏差,碳滿足要求,這是因為大鑄鍛件內(nèi)部存在一定成分偏析,取樣位置不同,結(jié)果會略有偏差。氫含量處于上限,偏高。
表2 本體試片及斷口殘體化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.2 Chemical compositions at substrate and fracture of blank
分別在斷裂殘體擴(kuò)展區(qū)②、瞬斷區(qū)④制取力學(xué)試樣,并與本體試片比較。力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。本體試片綜合性能較好;擴(kuò)展區(qū)②、瞬斷區(qū)④斷裂強(qiáng)度偏高;而塑、韌性偏低,特別斷面收縮率、沖擊韌性低于規(guī)定范圍[6]。
該曲拐鍛坯屬于大鑄鍛件。眾所周知,大鑄鍛件本身內(nèi)部存在成分不均勻;鍛造或熱處理加熱冷卻時如果工藝或操作控制不當(dāng),容易造成工件內(nèi)外溫差加大。這樣可能會導(dǎo)致過大的熱脹冷縮及組織轉(zhuǎn)變的不同時性,極易在鋼件內(nèi)部產(chǎn)生過大殘余內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致鋼的脆性增加。
金相組織過熱表明,該鍛坯鍛造或熱處理加熱溫度過高或在高溫停留時間過長,冷卻過程中會加大心部內(nèi)應(yīng)力。如果去應(yīng)力回火不充分,有利于解理斷裂。
上述分析表明,微觀源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)斷口解理斷裂與鋼的過熱組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、化學(xué)成分及工件大小密切相關(guān)[4],該解理斷裂是危險性很大的脆性斷裂。
表3 本體試片及斷裂殘體力學(xué)性能檢測結(jié)果Tab.3 Chemical compositions at substrate and fracture of second blank
鑒于4.1分析,該曲拐鍛坯經(jīng)過粗加工鉆排孔操作,內(nèi)部處于高應(yīng)力狀態(tài),鉆頭頭部應(yīng)力集中源發(fā),瞬間擴(kuò)展“炸裂”的解理斷裂機(jī)制分析判斷,工件受到了附加外力作用。鋼中氫略偏高,在內(nèi)部高應(yīng)力狀態(tài)下,改變了氫的均勻分布,氫向高應(yīng)力區(qū)偏聚,使某特定晶面譜線加寬,使鋼脆化;裂紋擴(kuò)展傳播過程位錯沿某特定晶面滑移,在此過程撲獲的氫阻止滑移,進(jìn)一步加大鋼的脆性[4]。分析認(rèn)為該曲拐鍛坯具有氫加入解理斷裂的可能性。
該曲拐鍛坯殘體強(qiáng)度較高,斷面收縮率及延伸率明顯降低,也具有氫作用對斷面收縮率敏感影響的特點。
該曲拐鍛坯最后鍛造工序是彎曲。彎曲工序開始溫度1 220℃,終了溫度830℃。在這期間對曲柄臂進(jìn)行平整,施加很小的變形。這個過程造成組織過熱,形成粗大晶粒,同時造成內(nèi)外溫差和過冷度加大,使曲柄臂內(nèi)部產(chǎn)生了過大的殘余熱應(yīng)力。
第二次試驗曲拐鍛坯,調(diào)整了曲拐鍛坯的鍛造工藝,彎曲-平整-變形階段工藝更加完善,更具可操作性;強(qiáng)化了消除應(yīng)力熱處理工藝。保證了第二次試驗的S34MnV曲拐鍛坯的產(chǎn)品質(zhì)量。
通過檢驗與綜合分析認(rèn)為,該曲拐鍛坯由于鍛造或熱處理工藝不合理,造成組織過熱,晶粒粗大,使內(nèi)部殘余過高熱應(yīng)力,增加了鋼的脆性;同時氫略偏高,在放置和加工過程中由于內(nèi)應(yīng)力加上外力共同作用改變了氫的均勻分布,使鋼進(jìn)一步脆化。該曲拐鍛坯在鉆頭頭部應(yīng)力集中處發(fā)生了具有氫參與的解理脆斷。
[1]中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).中國海運行業(yè)發(fā)展監(jiān)測分析與發(fā)展趨勢預(yù)測報告(2016-2020)[R].報告編號:1953052
[2]陳海洲.大型船用曲軸曲拐彎曲鍛造模具及預(yù)成形毛坯的設(shè)計方法[J].科技與創(chuàng)新,2016(4):116
[3]徐凱.6S60MC-C大型船用曲拐擠壓成形工藝研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2014.
[4]周順深.鋼脆性和工程結(jié)構(gòu)鋼脆性斷裂[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1983:220-240.
[5]冶金工業(yè)部鋼鐵研究院.合金鋼斷口分析金相圖譜[M].北京:科學(xué)出版社,1979:40-41.
[6]GB/T10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法[S].
[7]GB/T6394-2002 金屬平均晶粒度測定方法[S].
[8]MANB&W柴油機(jī)A/S.鍛鋼[S].1986:182.
[9]GB/T222-2006 鋼的成品化學(xué)成分允許偏差[S].