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        旋回破碎機(jī)4Cr13鋼主軸套激光淬火后的磨削裂紋分析

        2022-06-06 13:29:02石如星林乙丑齊國(guó)賽于文平蘇文博
        金屬熱處理 2022年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        石如星, 林乙丑, 張 沛, 齊國(guó)賽, 于文平, 蘇文博

        (1. 洛陽(yáng)中重鑄鍛有限責(zé)任公司, 河南 洛陽(yáng) 471003;2. 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心, 河南 洛陽(yáng) 471003)

        某公司生產(chǎn)的材質(zhì)為4Cr13鋼的旋回破碎機(jī)主軸套,根據(jù)使用要求,需對(duì)其外圓工作面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。通常,采用激光淬火的方式使主軸套工作表面的硬度和淬硬層深度達(dá)到使用要求。但在磨削加工階段,激光淬火后的部分主軸套外圓表面會(huì)產(chǎn)生裂紋影響使用。因此,本文通過(guò)宏觀形貌、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)和顯微組織觀察等多方面對(duì)主軸套裂紋的成因進(jìn)行了分析,確定了裂紋的產(chǎn)生原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,以避免裂紋再次產(chǎn)生。

        1 理化檢驗(yàn)

        1.1 宏觀分析

        經(jīng)過(guò)激光淬火后,兩件主軸套A和B在磨削加工階段均出現(xiàn)裂紋,宏觀形貌如圖1所示。從圖1(a)可知,主軸套A在靠臺(tái)階處外圓一周存在多處裂紋,圖1(b) 是箭頭處放大位置處裂紋的形貌。由圖1(c,d)可以看出,在進(jìn)行滲透探傷(PT)后,主軸套B外表面存在數(shù)處黑點(diǎn),且在淬火面中段處存在一圈軸向線(xiàn)性顯示,長(zhǎng)度在5~35 mm。由圖1可知,B主軸套裂紋主要集中在寬約50 mm的環(huán)帶上,其他部位有零星分布;兩件主軸套表面裂紋細(xì)如發(fā)絲,數(shù)量較多,大部分長(zhǎng)約5~30 mm;裂紋外圓走向均與軸向呈約15°夾角;其中主軸套A缺陷靠近上端臺(tái)階處,呈右旋走向,主軸套B缺陷距下端490~540 mm,呈左旋走向。

        圖1 A主軸套(a,b)和B主軸套(c,d)裂紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphologies of cracks of the spindle sleeve A(a, b) and B(c, d)

        為了找出裂紋產(chǎn)生的根本原因,對(duì)主軸套A進(jìn)行取樣,取樣如圖2所示。然后從化學(xué)成分、硬度、有效淬硬層深度、顯微組織等方面進(jìn)行檢測(cè)與分析。

        圖2 主軸套A的檢測(cè)取樣位置Fig.2 Inspection sampling positions of the spindle sleeve A

        1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

        采用光譜儀分析試樣的化學(xué)成分,結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)各元素含量實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),其化學(xué)成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》中4Cr13鋼(舊牌號(hào))的要求。

        表1 A主軸套的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        1.3 硬度及有效淬硬層深度檢測(cè)

        分別采用布氏、洛氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣基體硬度和激光淬火面硬度,同時(shí)根據(jù)GB/T 18683—2002《鋼鐵件激光表面淬火》的檢測(cè)規(guī)范,采用維氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣有效淬硬層深度及硬度梯度,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2及圖3。由表2和圖3可知,主軸套A的基體硬度、激光淬火面硬度和有效淬硬層深度均符合設(shè)計(jì)使用要求。

        表2 主軸套A的硬度及有效淬硬層深度檢測(cè)值

        圖3 主軸套A激光淬火硬度梯度曲線(xiàn)Fig.3 Gradient curves of laser hardened hardness of the spindle sleeve A

        1.4 金相分析

        將制備的金相試樣經(jīng)磨制、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后,在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)一步觀察試樣基體、淬硬層、裂紋的組織形貌及特征。如圖4所示,主軸套A的基體組織為回火索氏體,其上彌散分布著細(xì)小的碳化物顆粒,同時(shí)依稀可見(jiàn)尚未完全分解的馬氏體或貝氏體形貌,是其正常的調(diào)質(zhì)組織。

        圖4 主軸套A基體顯微組織Fig.4 Microstructure of matrix of the spindle sleeve A

        圖5和圖6是試樣淬硬層經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后的組織形貌,圖5中各區(qū)組織輪廓清晰可見(jiàn),表層存在白亮組織,有白亮區(qū)和過(guò)渡區(qū),白亮區(qū)約0.8 mm寬,過(guò)渡區(qū)約0.3 mm寬,白亮區(qū)可見(jiàn)激光螺旋掃描時(shí)光斑搭接形成的灰暗弧線(xiàn),有效淬硬層為白亮層+過(guò)渡層,組織為隱針馬氏體。試樣經(jīng)FeCl3鹽酸溶液腐蝕后,白亮層顯示為熔凝組織形貌特征,表層為極薄的激冷層,其后為月牙形、呈放射狀、定向凝固的柱狀晶,如圖7所示。

        圖5 主軸套A淬硬層形貌Fig.5 Morphologies of hardened layer of the spindle sleeve A

        圖6 主軸套A的淬硬層深度及位置Fig.6 Depth and position of hardened layer of the spindle sleeve A

        圖7 主軸套A激光淬火區(qū)的組織及形貌(FeCl3鹽酸溶液腐蝕)(a~c)全貌;(d,e)白亮層;(f)過(guò)渡區(qū)Fig.7 Microstructure and morphologies of laser quenched zone of the spindle sleeve A(etched by FeCl3 hydrochloric acid solution)(a-c) full view; (d,e) bright white layer; (f) transition zone

        由圖8可見(jiàn),裂紋集中分布于有效淬硬層內(nèi),呈斷續(xù)、撕裂狀,裂紋寬度<10 μm,并走向曲折,但均與表面相垂直,裂紋起始于表面、白亮層與過(guò)渡層及過(guò)渡層與基體交接處。

        圖8 主軸套A的裂紋分布及FeCl3鹽酸溶液腐蝕前(a,c,e)、后(b,d,f)形貌Fig.8 Distribution and morphologies of cracks in the spindle sleeve A before(a,c,e) and after(b,d,f) etching by FeCl3 hydrochloric acid solution

        2 討論與分析

        根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果可知,材料的化學(xué)成分(見(jiàn)表1)及顯微組織(見(jiàn)圖4)均符合要求,排除了主軸套本身質(zhì)量和熱處理問(wèn)題,初步判定裂紋為磨削過(guò)程中形成的磨削裂紋。

        磨削裂紋通常情況下較淺,深度一般為0.02~0.20 mm,且裂紋垂直于或大致垂直于磨削面[1]。磨削裂紋按裂紋形狀可分為網(wǎng)狀、放射狀、蜷曲狀、星點(diǎn)狀等;磨削熱致使工件表面溫度上升,導(dǎo)致表面發(fā)生兩次收縮而產(chǎn)生裂紋,磨削時(shí)零件表面的溫度可能高達(dá)820~840 ℃或更高[2-3]。淬火鋼的組織是馬氏體和一定數(shù)量的殘留奧氏體,均處于膨脹狀態(tài)(未經(jīng)回火處理尤為嚴(yán)重)。如果將其表面快速加熱至100 ℃左右并迅速冷卻時(shí),必然會(huì)產(chǎn)生收縮,這是第一次收縮。這種收縮僅發(fā)生在表面,其基體仍處于膨脹狀態(tài),從而使表面層承受拉應(yīng)力而產(chǎn)生微裂紋,這是第一種裂紋。當(dāng)溫度升至300 ℃時(shí),表面再次產(chǎn)生收縮,從而產(chǎn)生第二種裂紋,特征是龜甲狀,用酸腐蝕裂紋明顯易見(jiàn)[4-6]。

        從磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度分析,將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋。從應(yīng)力角度來(lái)講,零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開(kāi)裂是由于應(yīng)力超過(guò)了材料抗力,在殘余內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力磨削裂紋;在摩擦應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋,裂紋從表面起裂,最終朝平行于表面的淺表層方向擴(kuò)展[3]。淬火鋼中的殘留奧氏體,在磨削時(shí),受磨削熱的影響發(fā)生分解,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,這種新生的馬氏體集中于表面,引起零件局部膨脹,加大了表面應(yīng)力,導(dǎo)致磨削應(yīng)力集中,繼續(xù)磨削則容易加快磨削裂紋的產(chǎn)生;此外,新生的馬氏體脆性較大,也容易加快磨削裂紋的產(chǎn)生。

        另一方面,磨削加工時(shí),對(duì)工件既有壓應(yīng)力,又有拉應(yīng)力,助長(zhǎng)了磨削裂紋的形成;磨削時(shí)冷卻不充分,由磨削產(chǎn)生的熱量足以使磨削表面薄層重新奧氏體化,隨后再次淬火形成淬火馬氏體[7]。因而使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力,再加上磨削所形成的熱量使零件表面的溫度升高極快,這種組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的疊加就可能導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋[8-10]。此外,熱處理回火不足、應(yīng)力未充分消除、組織不穩(wěn)定、過(guò)多的殘留奧氏體、網(wǎng)狀帶狀鏈狀共晶碳化物、馬氏體粗大、淬火溫度過(guò)高、氫量過(guò)高、磨削加工工藝不當(dāng)(進(jìn)給量、砂輪選擇及修整等)以及冷卻不足等都會(huì)引起開(kāi)裂。

        通過(guò)對(duì)4Cr13鋼主軸套裂紋的分析可知,裂紋集中分布在一個(gè)砂輪寬度的環(huán)帶上,與主磨削方向(切向)接近垂直。這主要是因?yàn)樯拜喸谀ハ鬟^(guò)程中存在切向與軸向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),切向的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸向移動(dòng)速度,因此這兩個(gè)方向產(chǎn)生的磨削拉應(yīng)力的合力超過(guò)了該材料抗力,最終造成裂紋產(chǎn)生,并使其走向與軸向呈約15°的夾角,呈現(xiàn)出與磨削工藝相關(guān)度極高的分布形態(tài)。同時(shí),由于采用激光淬火表面處理方式,所以激光熔凝產(chǎn)生的放射狀柱狀晶結(jié)構(gòu)會(huì)顯著降低晶體間的結(jié)合力,加之用激光淬火余溫的自回火方式處理使得淬硬層應(yīng)力分布較復(fù)雜,因此在磨削過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋。B主軸套激光淬火后著色檢查未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋,經(jīng)磨削后出現(xiàn)裂紋,其分布形態(tài)與A主軸套相同,間接驗(yàn)證了該裂紋為磨削裂紋。

        3 結(jié)論

        1) 通過(guò)化學(xué)成分、表面組織及顯微硬度等方面的分析,可得出4Cr13鋼主軸套裂紋性質(zhì)為磨削裂紋。裂紋的產(chǎn)生主要是由于砂輪磨削過(guò)程中存在切向與軸向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),切向轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸向移動(dòng)速度,兩個(gè)方向產(chǎn)生的磨削拉應(yīng)力合力,造成裂紋與軸向呈約15°的夾角。同時(shí),由于激光熔凝產(chǎn)生的放射狀柱狀晶結(jié)構(gòu)顯著降低了晶體間的結(jié)合力,加之采用激光淬火余溫自回火的方式,使淬硬層應(yīng)力分布較復(fù)雜,在磨削過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋。

        2) 為了防止此類(lèi)裂紋的出現(xiàn),可以從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):磨削加工前,增加車(chē)削加工工序,并進(jìn)行磁粉或著色探傷檢查;軸套激光淬火后采用整體回火方式處理;確保原材料質(zhì)量,進(jìn)行中間退火,適當(dāng)降低淬火冷卻速度;繼續(xù)研究4Cr13鋼激光淬火后缺陷性質(zhì)鑒別技術(shù)等。

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