45鋼印刷網(wǎng)紋輥斷裂原因分析*

劉加宋，朱暉朝，葉 云，文 魁，陳煥濤

廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510650

網(wǎng)紋輥是柔性印刷機(jī)的核心部件，可以均勻地向印版上傳遞油墨,不斷地對(duì)網(wǎng)紋輥進(jìn)行性能優(yōu)化是發(fā)展柔性印刷技術(shù)的核心手段[1-4]．在印刷過(guò)程中，由于刮墨刀的作用會(huì)對(duì)網(wǎng)紋輥產(chǎn)生一定的磨損，日積月累就會(huì)使著墨孔的開(kāi)口度逐漸變小，同時(shí)深度逐漸變淺，從而使網(wǎng)紋輥的傳墨性下降，傳遞的總墨量逐步減少．在網(wǎng)紋輥表面噴涂氧化鉻可以顯著地提高網(wǎng)紋輥的耐磨性并且有效延長(zhǎng)網(wǎng)紋輥的使用壽命[5]．普通網(wǎng)紋輥?zhàn)畛Ｓ貌牧鲜?5鋼，45鋼是一種應(yīng)用廣泛的中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱處理后具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性[6-7]．

某公司在對(duì)一批印刷網(wǎng)紋輥進(jìn)行噴涂處理的過(guò)程中，一根網(wǎng)紋輥棍頭發(fā)生斷裂，為查明原因，防止類(lèi)似事故發(fā)生，通過(guò)化學(xué)成分分析、金相組織觀察、顯微硬度和掃描電鏡等分析手段，對(duì)斷裂原因進(jìn)行合理分析．

1 試樣檢驗(yàn)

印刷網(wǎng)紋輥整體如圖1(a)所示，圖1(b)和圖1(c)為斷輥兩邊端的斷面．從圖1(b)可見(jiàn)，大輥斷面中心處有突起的痕跡．

圖1 網(wǎng)紋輥宏觀形貌圖Fig.1 Anilox roller macrography

將圖1(c)的小輥斷面進(jìn)行清洗，清洗后如圖2所示．從圖2可以明顯看到，中心對(duì)應(yīng)位置有凹陷的區(qū)域，仔細(xì)觀察與大輥突起部位吻合．

圖2 清洗后的小輥的斷裂面Fig.2 The fracture surface of the small roller after cleaning

2 結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分分析

2.1.1 組成成分

在網(wǎng)紋輥斷面處進(jìn)行取樣，使用SPECTROLABM9型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示．由表1可知，依據(jù)GB699-88中45鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明網(wǎng)紋輥的各元素化學(xué)成分是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的．可以排除因成分不均勻這一因素而引起的網(wǎng)紋輥斷裂的因素．

2.1.2 非金屬夾雜物

使用DK7725B型線切割機(jī)床在網(wǎng)紋輥斷面截面進(jìn)行切割取樣，并使用徠卡DMI5000M金相鑲嵌機(jī)和自動(dòng)磨拋機(jī)進(jìn)行制樣．在斯特爾Tegramin-25

表1 網(wǎng)紋輥的化學(xué)成分

金相顯微鏡下放大100倍觀察，結(jié)果如圖3所示．從圖3可見(jiàn)，非金屬夾雜物較少，多為球狀氧化物．依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定—標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》可評(píng)為D1.5e級(jí)(e表示為粗系夾雜物)．

圖3 非金屬夾雜物形貌Fig.3 Non-metallic inclusion morphology

2.2 微觀形貌分析

2.2.1 金相組織

采用5%的硝酸酒精溶液對(duì)樣品進(jìn)行金相腐蝕，在金相顯微鏡下可以清楚看到斷輥的縱向截面顯微組織，如圖4所示．

從圖4的金相圖片中可以明顯觀察到白色網(wǎng)狀的鐵素體組織和黑色的塊狀珠光體，組織晶粒不均勻且珠光體晶粒粗大．正常45鋼材的加工工藝應(yīng)為850 ℃加熱30 min正火處理后進(jìn)行爐冷或者空冷，優(yōu)良的45鋼正火組織應(yīng)為塊狀鐵素體和細(xì)小珠光體片．同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，該樣品明顯沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，因經(jīng)正常調(diào)質(zhì)處理的金相組織應(yīng)為回火索氏體．這是由于該輥的熱處理正火溫度較高，不僅使得奧氏體化的晶粒過(guò)大，而且會(huì)讓冷卻速度過(guò)快，這都會(huì)促使魏氏組織的產(chǎn)生．這種網(wǎng)狀鐵素體第二相組織結(jié)構(gòu)會(huì)影響材料的力學(xué)性能，使材料的柔韌性嚴(yán)重下降，并且極易形成微裂紋，加速疲勞裂紋的產(chǎn)生，引起應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生斷裂．

圖4 網(wǎng)紋輥縱向截面500X顯微組織圖Fig.4 Microstructure of longitudinal section of anilox roller under 500X magnification

2.2.2 斷口形貌

采用JSM-5910型掃描電鏡(SEM)對(duì)網(wǎng)紋輥斷口微觀形貌進(jìn)行觀察分析(圖5)．從圖5(a)和圖5(b)可以明顯地看到，斷口為韌性韌窩斷口．圖5(c)和圖5(d)為斷裂結(jié)束留下的痕跡，可以看到斷口有細(xì)小的微裂紋．據(jù)此可推斷該網(wǎng)紋輥的斷裂原因是由于微裂紋產(chǎn)生引發(fā)的應(yīng)力集中，進(jìn)而形成的韌性斷裂．

2.3 硬度分析

使用MH-5維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，嚴(yán)格依照ASTM E384《材料維氏硬度測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試．對(duì)網(wǎng)紋輥斷面截面的金相樣品進(jìn)行硬度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果列于表2．

圖5 斷裂面形貌圖(a)和(b)不同倍率下斷口形貌；(c)和(d)不同倍率下斷裂痕跡Fig.5 Scanning electron microscopy morphology(a) and (b) fracture morphology at different magnifications；(c) and (d) fracture marks at different magnifications

表2 網(wǎng)紋輥的硬度結(jié)果

圖6為斷裂面附近硬度變化折線圖．從圖6的硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，測(cè)試點(diǎn)硬度值隨著與斷面的距離增大而增大．45鋼屬于亞共析鋼，其軟相組織為鐵素體，所以硬度結(jié)果可以說(shuō)明在斷面處附近析出鐵素體的量比其他區(qū)域要高．正如前面分析，網(wǎng)紋輥斷裂原因是析出的鐵素產(chǎn)生微裂紋進(jìn)而引起應(yīng)力集中產(chǎn)生斷裂，這與硬度結(jié)果相吻合．

圖6 斷裂面附近硬度變化折線圖Fig.6 Line chart of hardness change near the fracture surface

綜上所述，網(wǎng)紋輥的材料成分無(wú)異常，夾雜物檢測(cè)結(jié)果正常．網(wǎng)紋輥材料為45鋼，顯微鏡下觀察腐蝕后的金相組織與常規(guī)熱處理后的45鋼差異較大，存在較多白色網(wǎng)狀和羽毛狀的鐵素體和黑色塊狀珠光體，這種魏氏組織會(huì)極度惡化材料的各項(xiàng)力學(xué)性能．掃描電鏡下的顯微組織結(jié)果可以從直觀的角度看到斷裂的韌性韌窩和一些細(xì)小的微裂紋，說(shuō)明材料的斷裂類(lèi)型為韌性斷裂．硬度結(jié)果顯示隨著與斷裂面的距離變大，材料的硬度也逐漸增大，由于鐵素體是材料中的軟相組織，這個(gè)結(jié)果可以從側(cè)面說(shuō)明斷裂面附近的鐵素體較多，斷裂可能是網(wǎng)狀和羽毛狀的鐵素體形成的魏氏組織引發(fā)的．

3 結(jié) 論

試驗(yàn)通過(guò)45鋼網(wǎng)紋輥斷裂面的宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、顯微硬度測(cè)試和掃描電鏡檢驗(yàn)得出如下結(jié)論：

網(wǎng)紋輥在奧氏體化預(yù)處理階段中，加熱溫度過(guò)高，使得材料組織晶粒過(guò)于粗大．并且在后續(xù)的正火階段中，冷卻速度過(guò)快，析出鐵素體形成魏氏組織[8]．這種魏氏組織會(huì)嚴(yán)重降低材料的強(qiáng)度、塑性和韌性，影響材料性能，并且產(chǎn)生微裂紋，引起應(yīng)力集中，加上外力的作用使得網(wǎng)紋輥產(chǎn)生韌性斷裂．