H13大規(guī)格芯棒斷裂失效原因分析

劉甲明，王超峰，楊為國(guó)，胡 平，陸明和

（1.煙臺(tái)魯寶鋼管有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 265500；2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

芯棒是限動(dòng)芯棒連軋管機(jī)組重要的變形工具，通過軋輥與芯棒共同作用，毛管被軋成所要求的尺寸。芯棒由尾柄、延伸桿、工作棒通過螺紋方式連接而成，由于軋管過程中受到縱向拉力、橫向振動(dòng)等影響，延伸桿與工作棒連接處為薄弱點(diǎn)，易斷裂。芯棒斷裂會(huì)造成軋管機(jī)堆鋼、脫管機(jī)架損壞等惡性事故，造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)［1-12］。本文根據(jù)芯棒斷裂宏觀形貌、力學(xué)性能、顯微組織方面分析了芯棒斷裂失效原因。

1 宏觀形貌

Φ444.1 mm芯棒斷裂處宏觀形貌如圖1所示，斷裂處位于工作棒外螺紋處，斷口形貌為脆性斷裂。

2 試驗(yàn)分析

2.1 取樣位置

金相、橫向沖擊和拉伸取樣位置如圖2所示。其中，沖擊試樣在芯棒1/2半徑位置取樣，規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口；拉伸試樣同樣在芯棒1/2半徑位置取樣，M16，試樣直徑do=10 mm，試樣總長(zhǎng)度Lt=128 mm；金相硬度試樣沿芯棒徑向取一長(zhǎng)條。

2.2 性能結(jié)果

拉伸、沖擊性能試樣均在芯棒的1/2半徑位置取樣。芯棒的力學(xué)性能見表1，結(jié)果顯示沖擊性能不合格，單個(gè)值和平均值均低于20 J。

2.3 徑向硬度與顯微組織的變化

2.3.1 硬度變化

反映淬透性指標(biāo)的芯棒徑向硬度變化情況如圖3所示，可見硬度沿徑向分布基本均勻，未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)，硬度值約為30 HRC。這反映出H13材質(zhì)芯棒的淬透性非常好，符合淬透性要求。但硬度低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中 315～380 HB（33.3～40.8 HRC）硬度值的下限。

圖1 芯棒斷裂處宏觀形貌示意

圖2 芯棒金相組織、橫向沖擊和拉伸試樣取樣位置示意

表1 芯棒的力學(xué)性能

圖3 芯棒徑向硬度變化情況

2.3.2 顯微組織變化

芯棒顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，芯棒在1/2半徑位置處的金相組織，其平均晶粒尺寸為20 μm，但在該處的液析碳化物數(shù)量多且長(zhǎng)條狀數(shù)量居多、尺寸大且常見多個(gè)液析碳化物聚集或成串分布。由于沖擊取樣位置按標(biāo)準(zhǔn)在1/2半徑處，因而在液析碳化物上的差異是導(dǎo)致芯棒沖擊功值較低的組織上的原因（室溫沖擊性能AkV2平均值為 10.3 J）。

芯棒1/2半徑和心部?jī)商幬恢玫囊何鎏蓟锏燃?jí)未見明顯差異，這主要與冶煉工藝為電渣重熔有關(guān)，不同于常規(guī)模鑄，由于心部偏析程度大于1/2半徑，因而心部液析碳化物等級(jí)嚴(yán)重于1/2半徑。通過徑向液析碳化物等級(jí)無明顯梯度差異也可反映出電渣重熔鋼的優(yōu)點(diǎn)，沿徑向沖擊性能應(yīng)較穩(wěn)定。

圖4 芯棒顯微組織

3 分析與討論

一方面，表面形成的損傷在芯棒受力時(shí)可能成為應(yīng)力集中位置，易于因局部應(yīng)力過大而在表面形成裂紋。另一方面，如果材料自身的韌性又不足，就會(huì)導(dǎo)致芯棒在受到外力作用時(shí)，在應(yīng)力集中位置（螺紋損傷位置）易于形成裂紋并迅速沿橫截面擴(kuò)展，從而發(fā)生整體斷裂。

電渣重熔+鍛造工藝生產(chǎn)的芯棒從表面至心部的組織較為細(xì)小，對(duì)韌性有利。但該斷裂芯棒在徑向各位置的液析碳化物數(shù)量均較多，形狀多成長(zhǎng)條狀，且多個(gè)液析碳化物聚集呈鏈狀分布，如將液析碳化物視作“夾雜物”，則“有效夾雜物”的尺寸較大，因而對(duì)韌性不利，這是造成芯棒斷裂的主要原因。