擠壓筒內(nèi)襯開裂原因分析

文／李超越，劉志龍，梁曉捷·太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司

本研究通過低倍分析、化學(xué)分析、顯微組織分析和硬度檢測等方法對H13(4Cr5MoSiV1)內(nèi)襯表面開裂進(jìn)行了失效分析。結(jié)果表明，鍛造過程晶粒粗大、熱處理過程內(nèi)外表面脫碳導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，回火冷卻時內(nèi)應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致開裂。

熱處理分公司調(diào)質(zhì)的內(nèi)襯，材質(zhì)為H13(4Cr5MoSiV1)，主要生產(chǎn)工序：鍛造成形→鍛后熱處理→粗加工→淬火→回火(3次)，在二次回火后發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯開裂，現(xiàn)對其開裂原因進(jìn)行分析。

試驗分析

現(xiàn)場觀察

開裂的內(nèi)襯見圖1、圖2，內(nèi)襯整身多處碎裂，每條裂紋長度達(dá)數(shù)10cm。端部縱向裂紋呈人字形分叉，有的裂紋已從內(nèi)孔薄壁處裂通，外圓中部有橫向近似半圓的裂紋。

圖1 內(nèi)襯縱向人字形分叉裂紋

圖2 內(nèi)襯橫向裂紋

沿裂紋將內(nèi)襯分離，整個內(nèi)襯碎裂成多個碎塊。開裂方向有的從內(nèi)向外，有的由外向內(nèi)。原始斷口顏色新鮮，無發(fā)黑、油污氧化現(xiàn)象，內(nèi)襯斷裂斷口形態(tài)見圖3。

圖3 內(nèi)襯斷裂形態(tài)

低倍試樣分析

沿內(nèi)襯橫向取樣，使用熱酸浸蝕，浸蝕后的圖片見圖4，低倍檢測結(jié)果見表1。

表1 低倍檢測結(jié)果

圖4 酸浸低倍照片

斷口試驗分析

取內(nèi)襯縱向、橫向試片，分別人工開斷口，斷口照片見圖5、圖6，斷口特征均為典型萘狀斷口。

圖5 縱向人工斷口

圖6 橫向人工斷口

化學(xué)成分分析

對內(nèi)襯表面及心部進(jìn)行化學(xué)成分檢驗，檢驗結(jié)果及成分要求見表2，對比材質(zhì)化學(xué)成分，材質(zhì)均勻也符合H13(4Cr5MoSiV1)的成分要求。

表2 H13(4Cr5MoSiV1)成分(wt%)

硬度試驗

不同位置硬度檢測結(jié)果見表3，可見不同的位置硬度相差無幾。

表3 內(nèi)襯不同位置的硬度

微觀試驗分析

非金屬夾雜物按GB/T 10561-2005 評定，結(jié)果見表4，內(nèi)襯鍛件材質(zhì)純凈，夾雜物種類級別符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 內(nèi)襯不同位置夾雜物級別

內(nèi)襯不同位置的晶粒度及組織圖片見圖7，晶粒度按GB/T 6394-2002、組織按GB/T 13320-2007評定，評定結(jié)果見表5，可知晶粒度粗大、組織超級別。

表5 內(nèi)襯不同位置晶粒度與組織

圖7 內(nèi)襯不同位置顯微照片

裂紋檢測

由4%硝酸酒精溶液浸蝕后的裂紋顯微照片見圖8，裂紋曲折穿晶擴(kuò)展、局部斷續(xù)，且裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，兩端尖細(xì)。對內(nèi)襯外表面及內(nèi)孔表層取樣，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，金相組織見圖9。從圖可見，內(nèi)襯外表面、內(nèi)表面脫碳約0.9 ～1.0mm。

圖8 內(nèi)襯裂紋顯微照片

圖9 內(nèi)襯表面組織

討論與分析

以上檢測結(jié)果表明，內(nèi)襯表面及中心化學(xué)成分均符合H13(4Cr5MoSiV1)要求，鍛件致密性、均勻性良好，淬火硬度較均勻。但低倍浸蝕發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯內(nèi)外表面均有裂紋，且原始斷口顏色新鮮，無發(fā)黑、油污氧化現(xiàn)象，由此可確定開裂時間位于二次回火后的冷卻過程中。高倍觀察，裂紋曲折穿晶擴(kuò)展、局部斷續(xù)，且裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，兩端尖細(xì)，為典型的應(yīng)力裂紋形態(tài)。

對應(yīng)內(nèi)襯不同位置，晶粒大小表現(xiàn)為表細(xì)內(nèi)粗，晶粒度嚴(yán)重處為00 級；組織為5 ～6 級粗大針狀馬氏體＋大量殘留奧氏體，殘余奧氏體量從外到內(nèi)也逐漸增多。此外內(nèi)襯鍛件內(nèi)外表面均有脫碳現(xiàn)象。

不同位置檢測硬度相差無幾，說明該鍛件淬火過程已完全淬透，內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)為表拉內(nèi)壓組織應(yīng)力；內(nèi)外表面由于碳的脫失，表層淬火組織轉(zhuǎn)變生成的馬氏體量及馬氏體的軸比明顯減小，相對于鍛件內(nèi)部大比容馬氏體表現(xiàn)為體積收縮，內(nèi)外表面仍受拉應(yīng)力；回火冷卻過程中，內(nèi)部殘余奧氏體轉(zhuǎn)變體積膨脹，表面拉應(yīng)力疊加，加之表層脫碳強(qiáng)度降低，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度，便產(chǎn)生裂紋。

縱向與橫向人工斷口形態(tài)均為萘狀斷口，即由晶粗造成。結(jié)合不同位置晶粒度表細(xì)內(nèi)粗，說明該內(nèi)襯鍛件鍛造過程中加熱溫度過高，或保溫時間較長，終鍛晶粒細(xì)化僅發(fā)生于表層，造成鍛件心部晶粒粗大，材料強(qiáng)度降低，淬火后形成較粗大的馬氏體，常伴有顯微裂紋，在內(nèi)應(yīng)力作用下開裂，由此造成內(nèi)部斷續(xù)狀裂紋。

綜合分析：內(nèi)襯鍛件鍛造過程控制不當(dāng)造成內(nèi)襯晶粒粗大，材料抗拉強(qiáng)度降低。調(diào)質(zhì)過程內(nèi)外表面脫碳，在多重內(nèi)應(yīng)力作用下內(nèi)襯內(nèi)外表面受拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度，最終導(dǎo)致開裂。

結(jié)論

⑴內(nèi)襯化學(xué)成分符合材質(zhì)要求；

⑵鍛件純凈度、致密度、均勻性良好；

⑶內(nèi)襯組織、晶粒度粗大系鍛造工藝不佳造成；

⑷熱處理不當(dāng)造成內(nèi)襯內(nèi)外表面脫碳；

⑸內(nèi)襯開裂形式為應(yīng)力開裂，開裂原因系晶粒粗大、表層脫碳導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，在多重內(nèi)應(yīng)力作用下開裂。