65Mn鍛造磨球開裂分析

周 偉，艾云龍，王家宣，陳衛(wèi)華

(1.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063;2.江銅集團(tuán)(余干)鍛鑄有限公司，江西 余干 335100;3.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063)

0 引言

磨球作為一種球磨機(jī)中重要的粉碎介質(zhì)，是球磨機(jī)使用中消耗量最大的易磨損件。磨球的失效和頻繁更換，一方面造成材料的使用效率降低，企業(yè)生產(chǎn)成本提高;另一方面，嚴(yán)重影響整個(gè)球磨機(jī)生產(chǎn)線的效率［1-3］。65Mn鍛造磨球由于其具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、電力、建材等行業(yè)領(lǐng)域［4-5］。

采用胎模鍛批量生產(chǎn)的直徑為φ100 mm 的65Mn鍛造磨球，生產(chǎn)工序?yàn)?鍛造坯料加熱→胎模鍛→淬火→回火→抽樣檢驗(yàn)→入庫(kù)。在產(chǎn)品質(zhì)量抽樣檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)部分磨球內(nèi)部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，降低了產(chǎn)品的合格率。為探明磨球開裂原因，提高產(chǎn)品合格率，本研究結(jié)合工廠實(shí)際生產(chǎn)工序，對(duì)開裂的鍛造磨球進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，為65Mn鍛造磨球的改性研究提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

工廠采用直徑為φ80 mm 的65Mn(GB/T 1222—2007)鋼坯作為的鍛造磨球原材料，化學(xué)成分如表1 所示。試驗(yàn)選取一個(gè)典型開裂的鍛球，沿鍛球直徑方向截取厚度為10 mm 的圓片試塊，觀察鍛球的表面和切面裂紋的宏觀形貌。分別在原鍛球生產(chǎn)工序中的鍛造坯料、加熱空冷后的鍛坯及開裂失效鍛球上截取金相試樣，采用XJP-6A 型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相組織，采用FEI QUANTA200 型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行的顯微組織觀察、EDS 微區(qū)成分分析及裂紋微觀形貌觀察。

表1 65Mn鍛造磨球的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 65Mn wrought grinding-balls (mass fraction/%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂紋宏觀形貌觀察

圖1 為開裂鍛球裂紋的宏觀形貌圖。可見，失效鍛球表面有淺裂紋但并未發(fā)現(xiàn)明顯開裂痕跡(圖1a)。沿鍛球直徑方向?qū)⑵鋵?duì)半切開后觀察發(fā)現(xiàn)，鍛球內(nèi)部有長(zhǎng)約60 mm 的弧形裂紋，裂紋源始于鍛球內(nèi)部，該弧形裂紋兩側(cè)較平直，宏觀上無明顯分叉現(xiàn)象，中部出現(xiàn)少許斷續(xù)，沿距鍛球表面約10～15 mm 的環(huán)形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展(圖1b)。

2.2 裂紋微觀形貌SEM 觀察

為進(jìn)一步觀察和分析鍛球內(nèi)部弧形裂紋的形成及擴(kuò)展情況，對(duì)開裂鍛球內(nèi)部裂紋的不同區(qū)域進(jìn)行SEM 形貌觀察，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見，大裂紋擴(kuò)展末端由斷續(xù)的短裂紋組成，短裂紋形成于鍛球內(nèi)部，且裂紋尖端易沿晶界進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，失效鍛球內(nèi)部的弧形大裂紋周圍存在大量的斷續(xù)、彎曲的小裂紋，小裂紋兩端較平直，易沿晶界擴(kuò)展，多個(gè)小裂紋連接、聚集形成較大的裂紋。

圖1 鍛球裂紋的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracks on the failure forging grinding-ball

圖2 鍛球內(nèi)部裂紋不同區(qū)域的SEM 圖片F(xiàn)ig.2 SEM images in different areas of the internal cracks of the failure forging grinding-ball

2.3 組織觀察及分析

圖3 為65Mn鍛造坯料的金相組織，可見坯料表層存在少量的脫碳層組織(圖3a)。圖4 為65Mn鍛造坯料的SEM 圖片和EDS 測(cè)試結(jié)果，結(jié)合圖3、圖4 可知，65Mn 原始坯料組織主要由鐵素體和珠光體組成，其中鐵素體含量相對(duì)較少，主要沿珠光體晶界呈斷續(xù)條塊狀分布。同時(shí)，由圖4 可見原始坯料組織中存在少量的夾雜缺陷。

圖3 65Mn鍛造坯料金相組織Fig.3 Metallurgical structure of 65Mn raw materials

圖4 65Mn鍛造坯料的SEM 和EDS 分析結(jié)果Fig.4 SEM and EDS analysis result of 65Mn raw materials

圖5、圖6 分別為65Mn 加熱空冷后鍛坯的金相組織圖和SEM 圖片。比較圖3、圖5 可知，與原始坯料組織相比，經(jīng)過加熱后的坯料表層脫碳層組織更明顯。脫碳層組織由呈大塊、網(wǎng)狀分布鐵素體和少量珠光體組成;心部組織珠光體晶粒粗化明顯，鐵素體由斷續(xù)、條塊狀分布變?yōu)檠卮执笾楣怏w晶界呈網(wǎng)狀分布，且夾雜缺陷易分布于網(wǎng)狀鐵素體附近區(qū)域(圖6)。

圖7、圖8 分別為65Mn 開裂鍛球金相組織圖和SEM 圖片。結(jié)合圖7、圖8 可知，經(jīng)過熱處理后的成品磨球表層組織主要為馬氏體組織，其中最外緣存在少量呈網(wǎng)狀分布的鐵素體組織，由此表明，鍛坯料表層脫碳層組織部分遺傳至鍛鋼球表面(圖7a、圖8a);鍛球心部組織主要為珠光體組織(圖7c、圖8c);而介于表層組織和心部組織的次表層過渡區(qū)組織則較為復(fù)雜，為馬氏體、珠光體、網(wǎng)狀鐵素體和粗大魏氏組織組成的混合組織(圖7b、圖8b)，這主要是由于該區(qū)域淬火冷卻速度低于外表層區(qū)域，而高于心部區(qū)域，介于馬氏體轉(zhuǎn)變速度和珠光體轉(zhuǎn)變速度之間，先共析鐵素體易沿基體晶界面形成網(wǎng)狀分布的鐵素體，在適當(dāng)?shù)睦鋮s速度條件下，該網(wǎng)狀鐵素體易從晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)成一系列具有一定取向的針片狀魏氏組織。

圖5 65Mn鍛造坯料加熱空冷后的金相組織圖Fig.5 Metallurgical structure of 65Mn raw materials after heating

圖6 65Mn鍛造坯料加熱空冷后的SEM 圖片F(xiàn)ig.6 SEM analysis result of 65Mn raw materials after heating

圖7 開裂的65Mn鍛球金相組織圖Fig.7 Metallurgical structure of the failure 65Mn forging grinding-ball

3 分析與討論

鍛造磨球裂紋主要易在鍛造工序(包括快速加熱、變形、冷卻)和熱處理工序(包括淬火和回火)中產(chǎn)生［6］。鍛造工序過程中裂紋的產(chǎn)生與鍛件的組織結(jié)構(gòu)、受力狀況、變形溫度和變形速率等因素有關(guān)［7］。鍛造過程中，鍛件除了受到工具給于工件的變形作用外，還有變形不均勻和變形速率不同引起的附加應(yīng)力、溫度不均勻引起的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變不同產(chǎn)生的組織應(yīng)力等。其中，鍛件的組織結(jié)構(gòu)是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的內(nèi)部依據(jù);應(yīng)力狀態(tài)、變形溫度和變形速率是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的外部條件，通過對(duì)金屬組織和微觀機(jī)制的影響而對(duì)裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展發(fā)生作用［8］。工件在熱處理過程中同樣會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力(組織應(yīng)力和熱應(yīng)力等)，當(dāng)這些應(yīng)力超過鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起工件的變形;當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大，超過鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)造成工件的開裂［9］。

圖8 開裂的65Mn鍛球SEM 圖片F(xiàn)ig.8 SEM pictures of the failure 65Mn forging grinding-ball

通過上述對(duì)65Mn鍛造磨球生產(chǎn)工序各階段的顯微組織分析結(jié)果表明，65Mn鍛造坯料中存在一定的夾雜缺陷(圖4)，該夾雜缺陷并未在鍛造工序過程中消除，而是保留至鍛件的熱處理組織中，成為淬火應(yīng)力的集中點(diǎn)，當(dāng)該淬火應(yīng)力超過夾雜缺陷周圍組織的強(qiáng)度時(shí)，裂紋開始在夾雜周圍萌生。在鍛造過程中，鍛造坯料表面脫碳明顯，奧氏體組織晶粒粗化(圖5)，這可能是由于鍛造加熱溫度較高或加熱時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的。粗大奧氏體熱鍛球坯經(jīng)淬火后，表層冷卻速率快，易形成馬氏體組織;心部冷卻速率慢，易形成粗大珠光體組織和沿粗大的珠光體組織晶界處生長(zhǎng)的長(zhǎng)條狀、網(wǎng)狀鐵素體;而介于表層和心部的過渡層，由于冷卻速度適宜，在粗大奧氏體晶界處析出的先共析鐵素體向奧氏體晶內(nèi)生長(zhǎng)，形成許多平行的鐵素體針片狀形態(tài)與片狀珠光體混合存在的復(fù)相魏氏組織(圖8b)。粗大魏氏組織的出現(xiàn)，一方面為裂紋的萌生提供了理想的針片組織尖端形成的脆弱面，促進(jìn)裂紋源的產(chǎn)生;另一方面，由于魏氏組織的形成伴隨著沿晶界生長(zhǎng)的長(zhǎng)條、網(wǎng)狀先共析鐵素體，這種混合組織降低了基體界面的結(jié)合能力，降低鍛球的塑性和韌性，促進(jìn)了裂紋沿基體晶界面的擴(kuò)展［10-11］。結(jié)合裂紋形貌觀察結(jié)果可知，裂紋易在距鍛球表面10～15 mm 的次表層區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行萌生和擴(kuò)展，而該區(qū)域正是魏氏組織的形成區(qū)域，由此進(jìn)一步表明，熱處理過程中魏氏組織的出現(xiàn)是鍛球開裂的重要原因。需要指出，鍛造過程中累積的鍛造形變應(yīng)力在熱處理過程中得以釋放，這可能在一定程度上會(huì)加劇了熱處理過程中鍛球開裂。

4 改進(jìn)措施

為消除65Mn鍛造磨球的開裂現(xiàn)象，提高鍛球的成品率，可以考慮采用以下措施:

1)加大鍛造坯料購(gòu)買的質(zhì)量控制，減少鍛造坯料中夾雜物等組織缺陷;

2)合理優(yōu)化鍛造加熱工藝，在滿足胎膜鍛造要求的前提下，選擇恰當(dāng)?shù)募訜釡囟群图訜釙r(shí)間，防止奧氏體晶粒粗化嚴(yán)重現(xiàn)象的出現(xiàn)，為后續(xù)的熱處理工藝提供良好的組織準(zhǔn)備;

3)合理優(yōu)化熱處理淬火工藝，選擇適當(dāng)?shù)拇慊饻囟群屠鋮s速度，避免粗大魏氏組織的出現(xiàn)，提高鍛球抵抗開裂的能力。

5 結(jié)論

1)65Mn 原始坯料中存在一定的夾雜缺陷，裂紋易在夾雜缺陷周圍進(jìn)行萌生。

2)鍛造加熱工藝不當(dāng)，鍛造坯料奧氏體晶粒粗化現(xiàn)象明顯。

3)熱處理淬火工藝不當(dāng)，出現(xiàn)粗大魏氏組織，在組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下，裂紋容易在粗大魏氏組織薄弱區(qū)進(jìn)行萌生和擴(kuò)展。

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