破碎錘釬桿錐頭劈裂原因分析

王小忠

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司,江蘇 常州 213011)

破碎錘釬桿是應(yīng)用于液壓破碎錘上的關(guān)鍵配套零件之一,被廣泛應(yīng)用于礦山開采、冶金工業(yè)、市政工程、建筑施工、公路鐵路等部門。由于其載體設(shè)備的多樣性、工作的靈活性及其對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高所發(fā)揮的有效作用,是石方破碎不可或缺的作業(yè)工具[1-3]。破碎錘釬桿因其錐頭形狀不同而分為錐四邊形釬桿和扁形釬桿。錐四邊形錐頭的釬桿有很好的穿透力,即使是很硬的物體也能被它的錐形所產(chǎn)生的劈力輕松分開,在開山、修路、拆房等破碎面積較大的作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

1 問題概況

某鍛壓機(jī)械廠使用Ф180 mm 42CrMo熱軋圓鋼制作破碎錘釬桿,反饋有數(shù)根圓鋼鍛造釬桿時(shí)頭部探傷存在缺陷,另有1根在發(fā)客戶使用過(guò)程中釬桿頭從中間劈開,現(xiàn)場(chǎng)已取樣,見圖1-圖2。該釬桿尺寸為Ф175 mm×1800 mm,釬桿錐頭部長(zhǎng)度約500～700 mm,錐頭形狀為錐四邊形。釬桿制造工藝流程為:Φ180 mm熱軋圓鋼下料→機(jī)加工→鍛造錐頭(感應(yīng)加熱、鍛造成型)→錐頭局部熱處理(870℃淬火+220℃回火)。

圖1 釬桿全貌

圖2 釬桿錐頭劈裂形貌

2 原因分析

2.1 斷口分析

2.1.1 宏觀斷口分析

劈裂釬桿斷口的宏觀形貌見圖3,該釬桿開裂位置位于釬桿錐頭,斷口平坦并呈褐黃色,斷口與軸線相平行,于中心直徑處沿縱向擴(kuò)展;斷面上弧形的貝殼紋清晰看見,這種貝紋狀推進(jìn)線是疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中留下的痕跡;根據(jù)弧形貝殼紋反推可知貝殼紋發(fā)射中心位于錐頭的尖頭部位,即為釬桿錐頭的心部,說(shuō)明斷裂源位于釬桿錐頭心部;但該釬桿錐頭尖部已成蘑菇頭則無(wú)法觀察到。蘑菇頭形成是由于釬桿在強(qiáng)度較大的工作環(huán)境下作業(yè)時(shí),連續(xù)打擊時(shí)間較長(zhǎng)使釬桿尖部溫度過(guò)高,回火變軟,在巨大的沖擊力下變形為產(chǎn)生蘑菇頭狀“塌帽”。由于“塌帽”的存在,頭部工作面積增大,導(dǎo)致釬桿頭部受力增大,從而加劇了裂紋的擴(kuò)展,臺(tái)階處為最后瞬斷區(qū),斷口形貌如圖3所示。

圖3 斷口宏觀形貌,典型疲勞斷裂斷面

由圖4可見,在疲勞斷裂面中心存在縱向長(zhǎng)條形非疲勞斷面,該斷面沿縱向呈貫通狀,寬度約為15 mm左右,并將疲勞貝殼紋從中斷開,說(shuō)明在疲勞發(fā)生之前,釬桿心部已存在沿縱向的貫通裂紋,而貫通裂紋的寬度就是長(zhǎng)條形非疲勞斷面的寬度。由此判斷,該釬桿疲勞斷裂源應(yīng)為釬桿芯部的貫通裂紋。

圖4 疲勞斷面中心存在縱向長(zhǎng)條形非疲勞斷面

2.1.2 中心縱向長(zhǎng)條形非疲勞斷面形貌分析

將中心縱向長(zhǎng)條形非疲勞斷面置于掃描電鏡下觀察,整個(gè)長(zhǎng)條形非疲勞斷面呈縱向條帶,比較平坦,但微觀上呈現(xiàn)不規(guī)則塊形凹凸?fàn)钚蚊?并且在塊狀凸?fàn)钗锉砻婢哂忻黠@的枝晶生長(zhǎng)自由表面痕跡。在整個(gè)中心縱向長(zhǎng)條形斷面未發(fā)現(xiàn)韌窩、解理、疲勞輝紋等斷裂特征,見圖5、圖6。

圖5 中心縱向長(zhǎng)條形斷面形貌

圖6 具有明顯的枝晶生長(zhǎng)自由表面痕跡

2.2 化學(xué)成分分析

在劈裂釬桿上取樣,使用德國(guó)超譜公司QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,可知釬桿的化學(xué)成分符合GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)42CrMo鋼的成分要求。

表1 釬桿樣品的化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照 單位:%

2.3 低倍檢驗(yàn)

在斷口根部處釬桿錐頭處(圖3中黑線位置)取橫截面試片,鋸開后發(fā)現(xiàn)釬桿錐頭截面芯部存在裂開宏觀形貌,將此試樣記為試樣1#。采用1∶1的工業(yè)鹽酸水溶液對(duì)橫截面試樣進(jìn)行低倍熱酸蝕檢驗(yàn),橫截面試樣芯部缺陷為中心裂紋,宏觀形貌如下圖8所示,裂紋長(zhǎng)度經(jīng)測(cè)量約為15 mm左右,裂紋長(zhǎng)度即斷口上沿縱向貫通裂紋的寬度,見圖7～圖9。

圖7 試樣1#斷口根部處釬桿橫向截面,芯部存在裂紋

圖8 試樣1#低倍熱酸洗后表面宏觀形貌

在上圖2中斷裂源附近取橫截面試樣,將此部位試樣記為試樣2#,宏觀形貌如圖10所示。

圖10 試樣2#

2.4 金相檢驗(yàn)

將圖8中釬桿試樣1#芯部處裂紋,經(jīng)磨樣拋光后置于金相顯微鏡下觀察,裂紋長(zhǎng)度約為15.7 mm(即沿縱向貫通裂紋的寬度),裂紋縫隙兩側(cè)存在高溫氧化質(zhì)點(diǎn),裂紋兩端較尖,裂紋旁伴有二次小裂紋,見圖11～圖13。用4%硝酸酒精腐蝕后在顯微鏡下觀察,貫通裂紋處基體顯微組織為回火馬氏體+貝氏體,主裂紋及二次裂紋縫隙兩側(cè)均存在氧化脫碳現(xiàn)象,見圖14～1圖16。

圖11 釬桿橫截面芯部存在寬約15 mm長(zhǎng)的縱向裂紋。在主裂紋旁有許多二次裂紋和高溫氧化質(zhì)點(diǎn)

圖12 主裂紋旁的二次裂紋及高溫氧化質(zhì)點(diǎn)

圖13 前圖高溫氧化質(zhì)點(diǎn)放大形貌

圖14 釬桿芯部裂紋處組織形貌。裂紋縫隙四周均存在嚴(yán)重脫碳

圖15 二次裂紋兩側(cè)也存在嚴(yán)重脫碳

圖16 錐頭基體組織為回火馬氏體+貝氏體

采用電子顯微鏡對(duì)圖13中高溫氧化質(zhì)點(diǎn)處的能譜成分進(jìn)行分析,采集點(diǎn)成分分析數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 裂紋附近高溫氧化質(zhì)點(diǎn)能譜成分表 單位:%

試樣2#取自圖10所示位置,拋光后在顯微鏡下觀察,芯部存在裂紋缺陷,裂紋邊部存在高溫下氧化質(zhì)點(diǎn)。采用4%硝酸酒精水溶液腐蝕,在金相顯微鏡下觀察,裂紋邊部組織存在明顯脫碳組織形貌,試樣2#裂紋微觀形貌見圖17～18。

圖17 裂紋腐蝕前微觀形貌

圖18 裂紋腐蝕后組織微觀形貌

2.5 分析與討論

2.5.1 劈裂釬桿的化學(xué)成分符合GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)42CrMo鋼的成分要求。釬桿錐頭基體組織為回火馬氏體+貝氏體,屬42CrMo鋼淬火+低溫回火后的正常組織。

2.5.2 劈裂釬桿開裂位置位于釬桿錐頭,斷口平坦并呈褐黃色,斷口與軸線相平行,于中心直徑處沿縱向擴(kuò)展;斷面上可清晰看見弧形的貝殼紋,根據(jù)弧形貝殼紋反推可知貝殼紋發(fā)射中心位于錐頭的尖頭部位,即為釬桿錐頭的心部,說(shuō)明斷裂源位于釬桿錐頭心部。在疲勞斷裂面中心存在縱向長(zhǎng)條形非疲勞斷面,該斷面沿縱向呈貫通狀,寬度約為15 mm左右,并將疲勞貝殼紋從中斷開。在劈裂斷口根部釬桿錐頭未開裂的橫截面芯部發(fā)現(xiàn)存在裂紋,即為劈裂斷口中沿縱向的長(zhǎng)條形非疲勞斷面于未開裂時(shí)的裂紋形貌,這一特征說(shuō)明在疲勞發(fā)生之前,釬桿心部已存在沿縱向的貫通裂紋,并成為釬桿錐頭劈裂的疲勞斷裂源,在疲勞開裂發(fā)生后便呈現(xiàn)為疲勞斷面中的沿縱向的長(zhǎng)條形非疲勞斷面。

2.5.3 釬桿錐頭疲勞斷面中心的長(zhǎng)條形非疲勞斷面呈縱向條帶,比較平坦,但微觀上呈現(xiàn)不規(guī)則塊形凹凸?fàn)钚蚊?并且在塊狀凸?fàn)钗锉砻婢哂忻黠@的枝晶生長(zhǎng)自由表面痕跡;在整個(gè)中心縱向長(zhǎng)條形斷面未發(fā)現(xiàn)韌窩、解理、疲勞輝紋等斷裂特征。這些特征說(shuō)明釬桿芯部沿縱向的貫通裂紋不是受應(yīng)力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力裂紋,而是屬于未閉合的裂縫。

2.5.4 由金相分析得知,釬桿錐頭芯部發(fā)現(xiàn)的沿縱向的貫通裂紋,其縫隙兩側(cè)存在大量的高溫氧化質(zhì)點(diǎn)和嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象。釬桿在制造過(guò)程中,整根圓鋼僅對(duì)釬桿錐頭部位進(jìn)行了鍛造和熱處理加工;釬桿錐頭鍛造變形量較小,不可能在釬桿芯部產(chǎn)生較長(zhǎng)的貫通裂紋。如果貫通裂紋是鍛造裂紋,則在鍛造后的淬火+回火過(guò)程中,也不能使裂紋縫隙兩側(cè)產(chǎn)生高溫氧化質(zhì)點(diǎn)和嚴(yán)重脫碳;只有在鍛造之前釬桿已存在芯部裂紋,則裂紋兩側(cè)于高溫加熱時(shí)才可能產(chǎn)生高溫氧化質(zhì)點(diǎn)和嚴(yán)重脫碳。這表明釬桿芯部沿縱向的貫通裂紋在鍛造之前已存在,應(yīng)為原材料熱軋圓鋼在生產(chǎn)過(guò)程中,其鑄坯芯部存在較大縮孔缺陷,在軋制過(guò)程中未能完全軋合,使軋后圓鋼芯部形成沿縱向的貫通裂紋[4-7]。

3 問題整改

通過(guò)優(yōu)化低過(guò)熱度澆鑄、電磁攪拌、二冷比水量、動(dòng)態(tài)輕重壓下等工藝手段,提高連鑄坯的均質(zhì)性和致密性,改善連鑄坯中心偏析、中心疏松和中心縮孔等低倍質(zhì)量。軋鋼工藝在滿足表層脫碳要求條件下,試驗(yàn)通過(guò)適當(dāng)提高加熱溫度、延長(zhǎng)加熱時(shí)間,增加變形心部滲透,改善軋材低倍致密性。提高42CrMo軋材進(jìn)坑溫度,軋材下冷床后不經(jīng)過(guò)在線倒角處理,直接進(jìn)緩冷坑。軋材進(jìn)坑緩冷時(shí)坑內(nèi)不得有其它冷鋼,并且需單獨(dú)堆放,加蓋做好保溫措施。

4 結(jié)語(yǔ)

42CrMo鋼種Φ180 mm規(guī)格熱軋圓鋼制造的破碎錘釬桿,在使用不久便產(chǎn)生釬桿錐頭縱向劈裂現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)劈裂釬桿進(jìn)行斷口形貌、金相組織等理化分析表明,釬桿錐頭縱向劈裂屬于疲勞斷裂,引起疲勞斷裂的主要因素是釬桿心部存在沿縱向貫通性裂紋缺陷,而貫通裂紋則來(lái)源于原材料熱軋圓鋼心部,其原因與連鑄坯中心縮孔在軋制時(shí)未能完全軋合,在釬桿頭部留下質(zhì)量隱患,同時(shí)釬桿由于工況條件惡劣,在短時(shí)間內(nèi)失效,導(dǎo)致釬桿頭部出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。通過(guò)內(nèi)部整改及效果驗(yàn)證,后續(xù)軋制類似大規(guī)格圓鋼,經(jīng)超聲波探傷檢查未發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象。