張 鵬 李明澤

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西030032)

主軋輥為火車輪軋制時(shí)使用的最重要大型環(huán)件類模具，材質(zhì)5CrMnMo，外形尺寸?1360 mm×?950 mm×200 mm，鍛造下料重量高達(dá)2 t。生產(chǎn)制造工藝路線為：原材料→原材料復(fù)驗(yàn)→鋸切→鍛造→半精加工→調(diào)質(zhì)→精加工。實(shí)際制造過程中有1件新造主軋輥精加工后發(fā)現(xiàn)開裂，裂紋位于內(nèi)孔臺(tái)階處，呈周向環(huán)形狀分布，總長(zhǎng)度約占整圈23。

本文在主軋輥開裂處截取相關(guān)試樣進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相檢查、斷口電鏡掃描等試驗(yàn)分析，找出開裂原因，對(duì)主軋輥制造工藝進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)宏觀分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開裂主軋輥進(jìn)行觀察，裂紋均分布在內(nèi)孔臺(tái)階角部附近，裂紋有的沿著臺(tái)階根角部，有的沿著臺(tái)階豎直面，有的沿著臺(tái)階水平面，裂紋呈現(xiàn)斷續(xù)的、環(huán)形狀周向分布，總長(zhǎng)度約占整圈23。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行超聲檢測(cè)及裂紋深度測(cè)量，結(jié)果顯示工件內(nèi)部未出現(xiàn)超當(dāng)量缺陷，只有在內(nèi)孔臺(tái)階附近發(fā)現(xiàn)開口性缺陷，用裂紋深度測(cè)試儀對(duì)裂紋深度進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋深度為14 mm～53 mm不等。

1.2 化學(xué)成分分析

在主軋輥開裂端截取相關(guān)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢查結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)分析

按照環(huán)形鍛件取樣要求，對(duì)主軋輥解剖進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸、沖擊及硬度試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 低倍試驗(yàn)分析

截取徑向橫截面低倍試片，進(jìn)行熱酸浸檢測(cè)試驗(yàn)，低倍檢驗(yàn)照片如圖1所示。檢驗(yàn)結(jié)果為一般疏松1.0級(jí)，中心疏松0.5級(jí)，區(qū)域偏析1.0級(jí)，符合要求，裂紋長(zhǎng)度48 mm。

1.5 金相檢驗(yàn)

1.5.1 非金屬夾雜物

鋼中非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼中純凈度良好，符合要求。

1.5.2 基體顯微組織分析

金相顯微組織分析顯示：外部基體組織為回火索氏體，晶粒度7.5級(jí)；中部為回火索氏體+少量回火貝氏體，晶粒度7.5級(jí)和7.0級(jí)，呈帶狀組織分布，組織狀態(tài)基本正常，基體組織照片如圖2所示。

1.5.3 裂紋區(qū)顯微組織分析

對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行金相組織分析顯示：主裂紋較粗，裂紋尖部尖細(xì)，斷續(xù)曲折，主裂紋旁邊有沿晶分布的支裂紋、部分區(qū)域伴有熔坑。裂紋旁無夾雜物，無明顯脫碳，組織與基體無明顯變化，且開裂方向與帶狀偏析組織呈一定角度，顯微組織照片如圖3所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Test results of chemical compositions(mass fraction, %)

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)分析結(jié)果Table 2 Test results of mechanical properties

表3 非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Nonmetallic inclusion test results

圖2 基體組織
Figure 2 Microstructure of base metal

1.6 斷口掃描電鏡微區(qū)分析

對(duì)裂紋斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果表明：裂紋斷口處表面有很薄一層區(qū)域呈現(xiàn)碾壓平面，形貌明顯異于內(nèi)部，相連的次表面主要為沿晶加波紋，并有向外擴(kuò)展特征，且未被氧化層覆蓋。其內(nèi)大部分區(qū)域整體呈現(xiàn)圓鈍的凸凹特征，斷口花樣具有典型的圓弧狀沿晶開裂特征，原始晶粒粗大，斷口上有厚氧化層覆蓋，裂紋尖端斷口部分未被氧化膜覆蓋，晶界上有顆粒狀附積，新開斷口為解理花樣，如圖4所示。經(jīng)能譜定性和定量分析，覆蓋的氧化層上合金元素含量較低，沿晶的晶界面，除Fe和O元素外，還有Cr、Mn、Mo等合金元素偏聚，見圖5。綜上說明斷口大部分為晶界弱化、高溫?zé)崃鸭y，同時(shí)也有熱處理沿晶開裂擴(kuò)展形態(tài)及表面機(jī)加工碾壓開裂。

圖3 裂紋區(qū)域金相顯微組織Figure 3 Metallographic microstructure in crack region

圖4 斷口掃描電鏡分析
Figure 4 SEM analysis of fracture surface

2 討論與分析

主軋輥化學(xué)成分符合5CrMnMo材質(zhì)要求，低倍組織、非金屬夾雜物、力學(xué)性能均符合要求。主軋輥基體組織為回火索氏體，晶粒度7.5級(jí)，中部區(qū)域有部分回火貝氏體，組織呈帶狀分布，組織狀態(tài)正常，晶粒較細(xì)，說明調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)合格，但是組織中明顯的帶狀偏析，說明工件變形較大同時(shí)中間未進(jìn)行正火處理，這將對(duì)后續(xù)熱處理性能產(chǎn)生不良影響。

主軋輥外形尺寸較大，屬中厚截面大變徑比大型環(huán)形鍛件。微觀主裂紋較粗、裂紋尖端尖細(xì)，斷續(xù)曲折，主裂紋旁有沿晶分布的支裂紋、部分區(qū)域伴有熔坑，裂紋斷口內(nèi)大部分區(qū)域整體呈現(xiàn)圓鈍的凸凹特征，即圓弧狀沿晶開裂特征，原始晶粒粗大，斷口上有厚氧化層覆蓋，是晶界弱化，局部高溫熔化的見證，也是高溫?zé)崃鸭y典型特征。

綜合分析可以確定周向裂紋屬于鍛造熱裂紋，但外表面是最后開裂的。產(chǎn)生這種周向環(huán)狀開裂的原因通常是：由于主軋輥外形尺寸需要，鍛造變形量較大，整體均勻性有差異，同時(shí)材料本身碳含量及合金元素較高，可能存在原始合金元素微區(qū)偏析和不均勻，一旦某一部分加熱溫度較高或時(shí)間較長(zhǎng)，可能產(chǎn)生合金元素向晶界富集，產(chǎn)生晶界弱化，甚至造成局部晶界熔化，優(yōu)先形成了位于次表面的沿晶開裂的裂紋。在隨后的熱處理淬火時(shí)，在較大應(yīng)力作用下，缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋或向深度和表面擴(kuò)展，但外表面屬最后開裂，當(dāng)時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，在后續(xù)機(jī)加工時(shí)暴露于外表面，形成存在于鍛件端面內(nèi)孔臺(tái)階角部的周向分布的環(huán)狀裂紋。

3 結(jié)論

(1)主軋輥化學(xué)成分、純凈度、力學(xué)性能均合格。

(2)主軋輥周向分布的環(huán)狀裂紋是鍛造局部控制不當(dāng)造成的晶界弱化，在熱處理淬火時(shí)擴(kuò)展開裂，屬典型的高溫?zé)崃鸭y。

4 改進(jìn)措施

(1)優(yōu)化鍛造工藝，避免過熱、過燒，確保鍛件整體均勻性。

(2)鍛后增加正火處理，提高鍛件整體均勻性，為后續(xù)調(diào)質(zhì)熱處理做預(yù)準(zhǔn)備。

(3)鍛件半精加工后增加超聲檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。