起重用20Mn2鋼短環(huán)鏈拉伸破斷力不合格原因

黃國俊, 許加陸, 徐旋旋

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司, 常州 213011)

起重用短環(huán)鏈多用于手拉葫蘆、電動葫蘆中，其中T(8)級起重用短環(huán)鏈強(qiáng)度高、耐磨性好、質(zhì)量輕、破斷力大,適用于復(fù)雜工況[1]。某公司使用φ12 mm的20Mn2鋼盤條，按照GB/T 20947-2007《起重用短環(huán)鏈 T級(T、DAT和DT型)高精度葫蘆鏈》的技術(shù)要求生產(chǎn)名義尺寸dn為10 mm的T(8)級短環(huán)鏈，生產(chǎn)工藝流程為盤條→拉拔至φ10 mm→退火→冷彎繞環(huán)→電阻對焊→熱處理(淬回火)→鏈條檢驗(yàn)。

GB/T 20947-2007中要求dn為10 mm的T(8)級短環(huán)鏈鏈條靜態(tài)拉伸破斷試驗(yàn)時的破斷力應(yīng)不小于126 kN，總極限伸長率應(yīng)不小于10%。成品鏈條出廠前進(jìn)行拉伸破斷試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，部分鏈條的拉伸破斷力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，且環(huán)鏈發(fā)生了脆性斷裂。為找到鏈條拉伸破斷力不合格的原因，對不合格鏈條和合格鏈條環(huán)鏈的斷口形貌、化學(xué)成分、顯微硬度、顯微組織等進(jìn)行了檢驗(yàn)及分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

取20Mn2鋼鏈條拉伸破斷力不合格與合格的斷裂環(huán)鏈試樣各3支，不合格環(huán)鏈標(biāo)記為1～3，合格環(huán)鏈標(biāo)記為4～6(其中一支合格環(huán)鏈斷裂試樣包含鏈條)，觀察其宏觀形貌。由圖1可以看出：不合格環(huán)鏈斷口較為平直，頸縮不明顯，為典型脆性斷口；斷口內(nèi)部均存在一處亮灰色斑狀區(qū)域，斷口兩側(cè)表面存在明顯的焊接擠出物清除痕跡，說明斷裂發(fā)生在接頭焊縫區(qū)；斷口處內(nèi)外側(cè)面均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。由圖2可以看出：合格環(huán)鏈斷裂發(fā)生在環(huán)鏈基體上，斷口為斜切型，有明顯頸縮，且破斷力合格，斷裂為過載斷裂。

圖1 不合格斷裂環(huán)鏈的宏觀形貌

圖2 合格斷裂環(huán)鏈的宏觀形貌

1.2 微觀分析

使用ZEISS EVO18型掃描電鏡(SEM)對不合格及合格環(huán)鏈的斷口進(jìn)行分析。由圖3可以看出：不合格環(huán)鏈1斷口中的亮灰色斑狀區(qū)域形貌呈韌窩狀，其余區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)解理形貌；焊縫區(qū)斷口未發(fā)現(xiàn)大面積的氧化物，說明焊接時產(chǎn)生的氧化物已基本擠出焊縫。合格環(huán)鏈6的斷口為剪切型韌窩形貌，如圖4所示。

圖3 不合格斷裂環(huán)鏈1的斷口SEM形貌

圖4 合格斷裂環(huán)鏈6的斷口SEM形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在6號合格環(huán)鏈和1號不合格環(huán)鏈的基體上取樣，使用OBLF QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見兩環(huán)鏈的化學(xué)成分均符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對20Mn2鋼的要求。

表1 環(huán)鏈的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 金相檢驗(yàn)

在1號不合格環(huán)鏈和6號合格環(huán)鏈斷口處沿徑向剖開，磨制、拋光、浸蝕后，使用ZEISS Axio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖5可以看出：環(huán)鏈1斷裂于接頭焊縫區(qū)，焊縫區(qū)較寬；焊縫區(qū)顯微組織為粗大條塊狀鐵素體+少量回火馬氏體+魏氏組織；母材的顯微組織為回火馬氏體。

圖5 不合格環(huán)鏈1斷口的顯微組織

由圖6可以看出：環(huán)鏈6的焊縫區(qū)非常窄；焊縫區(qū)顯微組織主要為回火馬氏體+少量鐵素體(包括魏氏組織)；母材的顯微組織為回火馬氏體。

圖6 合格環(huán)鏈6斷口的顯微組織

1.5 顯微硬度測試

使用FM-300型顯微硬度計對環(huán)鏈進(jìn)行顯微硬度測試。環(huán)鏈接頭各區(qū)域的顯微硬度見表2，可以看出，不合格環(huán)鏈1的焊縫區(qū)和母材的顯微硬度差別較大，合格環(huán)鏈6的焊縫區(qū)硬度高于不合格環(huán)鏈的。

表2 環(huán)鏈接頭的顯微硬度測試結(jié)果

2 分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：拉伸破斷性能不合格及合格環(huán)鏈的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)對20Mn2鋼的要求;回火馬氏體組織為20Mn2鋼鏈條淬回火處理后的正常組織，鏈條的顯微組織正常；拉伸破斷性能不合格的斷裂環(huán)鏈在焊接接頭處斷裂，斷口平直，無明顯頸縮，斷口內(nèi)部存在亮灰色斑狀區(qū)域，該區(qū)域呈韌窩形貌，斷口其他區(qū)域呈準(zhǔn)解理形貌，說明該鏈條在拉伸過程中先在該區(qū)域產(chǎn)生塑性開裂，后續(xù)受力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終斷裂[2]；合格斷裂環(huán)鏈沒有在焊接接頭處斷裂，斷口有明顯頸縮，為過載斷裂，斷口呈剪切韌窩狀，說明該鏈條是拉伸過程中受剪切應(yīng)力或撕裂應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂。

不合格環(huán)鏈均斷在接頭焊縫區(qū)，焊縫區(qū)顯微組織主要為粗大條塊狀鐵素體，母材顯微組織為回火馬氏體；焊縫區(qū)硬度遠(yuǎn)低于母材的。焊縫區(qū)的粗大條塊狀鐵素體組織的塑性較好但強(qiáng)度較低，因此焊縫區(qū)的硬度遠(yuǎn)低于母材的，拉伸破斷試驗(yàn)時焊縫區(qū)容易產(chǎn)生微裂紋，加載過程中裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致環(huán)鏈斷裂[3]。

焊縫區(qū)大量粗大條塊狀鐵素體的產(chǎn)生可能與焊接溫度過高或焊接時間較長等因素有關(guān)。環(huán)鏈電阻對焊過程中,操作失誤或焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時可能會引起兩側(cè)焊接面加熱溫度過高，導(dǎo)致焊接面氧化及嚴(yán)重脫碳，從而在焊接面產(chǎn)生大量粗大條塊狀鐵素體及氧化物夾雜；焊接時間過長時，會導(dǎo)致焊接面暴露在空氣中的時間延長，進(jìn)一步加重了焊接面的氧化及脫碳[4]。環(huán)鏈對焊加工時增加頂鍛量能夠把焊接面因氧化及脫碳嚴(yán)重產(chǎn)生的鐵素體及氧化物夾雜等擠出焊縫，進(jìn)而減小其對接頭焊縫區(qū)力學(xué)性能的影響[5-6]。

合格的環(huán)鏈焊縫區(qū)非常窄，焊縫區(qū)顯微組織主要為回火馬氏體+少量鐵素體，母材的顯微組織為回火馬氏體，焊縫區(qū)硬度相對不合格環(huán)鏈焊縫區(qū)的高，因此拉伸破斷試驗(yàn)時未在接頭處斷裂。

3 結(jié)論及建議

推測短環(huán)鏈拉伸破斷力不合格是由于焊接過程中溫度過高、時間過長, 導(dǎo)致接頭焊縫區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的氧化及脫碳，使焊縫區(qū)域產(chǎn)生大量的粗大條塊狀鐵素體組織，該組織后續(xù)淬回火處理時無法發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致焊縫區(qū)的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材的，從而拉伸破斷試驗(yàn)時在焊縫區(qū)萌生裂紋并發(fā)生低載荷脆性斷裂。

建議在環(huán)鏈對焊加工時適當(dāng)降低加熱溫度、縮短焊接時間、增加頂鍛量等以提高環(huán)鏈的質(zhì)量。