40Mn2鍛造磨球失效分析

孫志鵬，艾云龍，*，周 偉，王家宣，陳衛(wèi)華

(1.南昌航空大學 材料科學與工程學院，南昌 330063;2.江銅集團(余干)鍛鑄有限公司，江西 余干 335100)

0 引言

磨球是廣泛用于冶金選礦、水泥制造、建材制粉等企業(yè)工況的主要研磨體之一，尤其在磨粉選礦方面，其消耗量占據(jù)眾多消耗材料首位，我國每年消耗百萬噸以上［1-3］。近年來，國內(nèi)外球磨機都有向大型化方向發(fā)展的趨勢，特別是大型半自磨機的直徑超過10 m，對磨球的硬度及尺寸提出更高的要求［4］。目前，生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)采用低合金鋼生產(chǎn)大直徑磨球，通過添加Cr、Mn、Mo 等元素來提高硬度和淬透性［5］。生產(chǎn)過程中，磨球材質(zhì)的缺陷易使產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋，裂紋會導致磨球破損率和磨耗增加。由此可見，磨球產(chǎn)品的質(zhì)量對企業(yè)的經(jīng)濟效益有著至關重要的影響。

該案例中的40Mn2 磨球采用胎膜鍛批量生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝流程為:坯料加熱→胎膜鍛→淬火→回火。在成品磨球抽樣檢驗時，發(fā)現(xiàn)磨球中心出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，嚴重影響了企業(yè)產(chǎn)品的合格率。本研究根據(jù)工廠實際生產(chǎn)工序，通過組織觀察、化學成分測定等方法對鍛造坯料及出現(xiàn)缺陷的鋼球進行了失效分析，為消除產(chǎn)品缺陷、提高產(chǎn)品的合格率提供技術參考。

1 實驗材料與研究方法

用鉆床鉆取5 g 左右鍛造坯料粉末，采用Varisn725-ES 型光譜儀測定化學成分;將鍛造坯料沿直徑方向切片，并在表層和心部采用DK7735型線切割機截取20 mm ×10 mm ×10 mm 樣品2個;將缺陷成品球沿中心剖開，由圓片表層至心部采用線切割機截取20 mm×10 mm×10 mm 樣品3個。樣品經(jīng)制樣→砂紙打磨→拋光后，用4%(體積分數(shù))硝酸酒精進行腐蝕，在XJP-6A 型金相顯微鏡下進行金相觀察。金相樣品經(jīng)JL-180DTH 型超聲波清洗機清洗，去除沾染的雜質(zhì)，置于QUANTA200 型掃描電子顯微鏡下觀察樣品微觀形貌，并進行EDS 微區(qū)成分測定與分析。

2 實驗過程與結果

2.1 鍛球缺陷件宏觀形貌觀察

鍛球缺陷件宏觀形貌如圖1 所示，可見鍛球內(nèi)部存在孔洞及裂紋缺陷。孔洞位于鍛球中心部位，尺寸較大，形狀不規(guī)則;裂紋位于磨球內(nèi)部，數(shù)量較多，分布區(qū)域較廣。

2.2 鍛球缺陷件顯微組織分析

圖2 為鍛球缺陷件金相組織圖。由圖2a 可知磨球表層為馬氏體組織;圖2b、圖2c 顯示次表層及心部區(qū)域為珠光體和鐵素體混合組織，次表層可觀察到有較多魏氏組織。由于鍛造磨球直徑較大，在冷卻過程中內(nèi)外區(qū)域存在溫度梯度，導致次表層及心部區(qū)域在一定冷速條件下，形成許多平行的鐵素體針片，即魏氏組織。魏氏組織對鋼力學性能有極大影響，珠光體基體上分布的針狀鐵素體，會切割基體組織，導致外應力在鐵素體尖端集中，形成裂紋核心［6］。

圖3 為鍛球缺陷件裂紋微觀形貌圖片，可見裂紋附近區(qū)域存在大量魏氏組織，裂紋尾端與魏氏組織針尖相連(圖3b);裂紋中可觀察到較多夾雜(圖3c)，夾雜主要為氧化物(圖4)。因此，裂紋的形成與魏氏組織有關，且沿著已有的夾雜延展。

圖1 40Mn2鍛球缺陷件宏觀形貌圖Fig.1 The failure steel ball by 40Mn2

圖2 40Mn2鍛球缺陷件金相組織圖Fig.2 Metallurgical structure of the failure forging ball by 40Mn2

圖3 40Mn2鍛球缺陷件SEM 圖片F(xiàn)ig.3 SEM of the failure steel ball by 40Mn2

圖4 40Mn2鍛球缺陷件裂紋EDS 圖片F(xiàn)ig.4 EDS of crack for the failure forging ball by 40Mn2

2.3 鍛造坯料化學成分測定

采用ICP 法對鍛造坯料進行化學成分測定，結果如表1 所示。其中C、Si、Mn 均符合GB/T 3077—1999。

表1 40Mn2鍛造坯料化學成分測定結果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Composition analysis results of the raw materials by 40Mn2 (mass fraction/%)

2.4 鍛造坯料顯微組織分析

圖5 為鍛造坯料金相圖片。由圖5 可知，磨球鍛造坯料組織主要由珠光體和鐵素體組成，鐵素體與珠光體間隔排列，形成明顯帶狀組織，帶狀鐵素體主要沿鍛造坯料棒材軋制方向分布，珠光體組織有異常長大情況。鍛造坯料中缺陷生成的原因是:在坯料生產(chǎn)過程中，鋼液由于凝固時的選擇性結晶，枝晶與枝干成分不同，合金元素在枝晶間富集;在隨后的軋制中，枝晶與枝干沿應變方向延長，并逐漸與變形方向一致，形成碳與合金元素的貧化帶和富化帶;軋制后的冷卻過程中，如果冷速過慢，奧氏體會在貧化區(qū)產(chǎn)生先共析鐵素體，與富化帶產(chǎn)生的珠光體一起形成沿軋制方向分布的非常明顯的條帶狀組織［7-8］。帶狀組織會極大影響材料性能，在機加工和熱處理過程中，裂紋易沿帶與帶之間產(chǎn)生和擴展。同時，由于心部區(qū)域熱交換速度較表層更低，導致心部組織冷速較表層更慢，各種組織有時間繼續(xù)長大，致使心部組織較表層更為粗大。

圖6 為坯料微觀形貌圖片。由圖6 可知，坯料中彌散分布著不同尺寸的氣孔(針孔)和夾雜物缺陷。坯料中氣孔尺寸較小，但數(shù)量較多，且距離較近，聚集成鏈狀。在外應力作用下，鏈狀氣孔極易成為裂紋的擴展和發(fā)生源［9-10］。對夾雜物進行能譜分析，結果如圖7 所示，夾雜物主要為硫化物和氧化物。綜合圖5～圖7 可知，由于材料中存在明顯帶狀組織，其縱向變形能力差;在鍛造過程中，鍛模主要變形縱向部位，易使基體沿帶狀組織分隔面間斷裂，裂紋產(chǎn)生后，夾雜和氣孔對其有促進作用;帶狀組織斷裂形成的裂紋在基體中擴展并彼此聚合，最終形成宏觀裂紋及孔洞。

圖5 40Mn2鍛造坯料金相組織圖Fig.5 Metallurgical structure of raw materials by 40Mn2

圖6 40Mn2鍛造坯料SEM 圖Fig.6 SEM of raw materials by 40Mn2

3 分析與討論

鍛造坯料化學成分分析表明，該鍛球成分符合國標40Mn2 材質(zhì)要求;鍛造坯料的金相分析表明，表面組織和心部組織不均勻，且存在明顯帶狀組織以及夾雜、孔洞等缺陷。在坯料鐓粗時，采用自由胎膜，鍛造方式中縱向變形較多，由于原材料存在較明顯的帶狀組織，導致材料縱向變形能力差，致使坯料沿帶狀組織分隔面之間撕裂，產(chǎn)生裂紋，同時裂紋會沿著已有的夾雜和氣孔擴展，形成宏觀裂紋［11］。

圖7 40Mn2鍛造坯料夾雜EDS 圖Fig.7 EDS of inclusion for raw materials by 40Mn2

鍛球缺陷件金相與電鏡分析表明，缺陷成品中存在明顯魏氏組織;裂紋由魏氏組織尖端發(fā)源且沿夾雜擴展;自由鍛后，鍛件會進行淬火，淬火過程中，由于磨球表層和次表層及心部熱交換速率不同，次表層及心部冷速處于魏氏組織產(chǎn)生區(qū)間，導致了粗大魏氏體組織的生成。磨球淬火時會產(chǎn)生淬火熱引力，易使魏氏組織尖端產(chǎn)生微裂紋，并沿著鍛造坯料中原有的夾雜及氣孔擴展，形成裂紋，導致材料韌性下降。

4 改進措施

為改進磨球缺陷，可考慮采用以下措施:

1)冶煉過程中，添加去渣劑，消除雜質(zhì)。

2)在軋制生產(chǎn)過程后，增加均勻化退火處理，消除帶狀組織。

3)鍛造生產(chǎn)中，調(diào)整加熱、冷卻條件，避開魏氏組織生成區(qū)域。

5 結論

1)40Mn2鍛球出現(xiàn)的失效形式主要有心部孔洞和裂紋。

2)鍛造坯料中存在明顯帶狀組織，在鍛球過程中與夾雜共同作用，易使裂紋萌生并擴展，以及產(chǎn)生心部孔洞。

3)生產(chǎn)過程中熱處理工藝不當，出現(xiàn)魏氏組織，其針片形成的脆弱面使金屬的韌性急劇下降，也容易使裂紋萌生和發(fā)展。

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