摘 要:一種30CrMnSi鋼大型筒形件在旋壓過程中發(fā)生開裂,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 斷口分析、顯微組織觀察、掃描電鏡和能譜分析等方法,并結(jié)合對生產(chǎn)過程的排查,分析了筒形件開 裂的原因。結(jié)果表明:筒形件旋壓前熱處理工藝不當(dāng),導(dǎo)致硬度、組織均不均勻,這是筒形件發(fā)生旋 壓開裂的主要原因;通過改進(jìn)熱處理工藝,選用適用于大型工件的雙向交替冷卻方式,并對旋壓工 藝進(jìn)行改進(jìn)、完善,此后的旋壓件均未發(fā)生開裂,產(chǎn)品性能滿足技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞:30CrMnSi鋼;筒形件;旋壓;斷口分析

中圖分類號:TG142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0075-04

大型筒形件作為某些特殊用容器的關(guān)鍵部件, 不能出現(xiàn)任何裂紋缺陷。目前,對于大直徑、超長、 變壁厚的筒形件多采用旋壓工藝,該方法不僅能節(jié) 約材料,還能利用加工硬化提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是,金 屬管狀材料旋壓性能受材料本身組織和旋壓工藝的 雙重影響,任一環(huán)節(jié)存在偏差均可能使筒形件發(fā)生 開裂。

一批材料為30CrMnSiA 鋼的大型筒形件在旋 壓加工過程中發(fā)生開裂。筆者通過理化檢驗(yàn)等方 法,分析了該筒形件開裂的原因,以確保產(chǎn)品質(zhì)量和 可靠性,確保生產(chǎn)進(jìn)度。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

旋壓開裂發(fā)生在筒形件旋壓的一端(見圖1), 裂紋較多,裂紋相互連接形成碎塊并脫落,在筒形件 上留下一些孔洞。

1.2 化學(xué)成分分析

檢查該批筒形件原材料的進(jìn)廠驗(yàn)收情況,其材 料的狀態(tài)和化學(xué)成分均滿足技術(shù)要求。從旋壓開裂 筒形件取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,其化學(xué) 成分亦滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1.3 斷口分析

從筒形件斷口處取樣,采用掃描電鏡(SEM)進(jìn) 行觀察。由圖2可知,斷口已被污染,較難找到最先 發(fā)生斷裂的位置,斷口可見部分球形污染物[1]或材 料自身的夾雜物。

從筒形件斷口附近取樣,拋光后進(jìn)行表面形貌 觀察。由圖3可知,很多位置存在不規(guī)則形狀的化 合物,這些化合物主要為含氮和鈦的化合物。

1.4 顯微組織觀察

對斷口附近和遠(yuǎn)離斷口位置取樣后進(jìn)行顯微組 織觀察,如圖4所示。

由圖4可見:經(jīng)腐蝕后斷口附近的組織和遠(yuǎn)離 斷口位置的組織均中存在黑色點(diǎn)狀物,但是斷口附 近的黑點(diǎn)更多;另外,遠(yuǎn)離斷口位置的組織均勻,斷 口附近的組織中存在大塊島狀組織,組織不均勻。

1.5 掃描電鏡和能譜分析

分別對斷口附近組織中的黑色點(diǎn)狀物和島狀組 織進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。由圖5可見,黑色點(diǎn) 狀物可能為硫化物和鈦氮化合物,島狀組織主要為 硅元素的偏聚。

脆性化合物的存在會使材料的塑性變形能力降 低[2]。材料組織不均勻?qū)е伦冃尾痪鶆?容易形成 局部應(yīng)力集中,加速加工過程中材料的開裂。

2 生產(chǎn)過程排查

該筒形件的工藝流程是:熱處理毛坯加工→正 火→旋壓毛坯加工→旋壓→精加工→探傷。

調(diào)查時,熱處理操作人員及現(xiàn)場技術(shù)人員反映: 該批筒形件正火后的硬度偏高,大于240HB,故進(jìn) 行了第二次正火處理,第二次正火后筒形件的硬度 基本符合要求。

根據(jù)顯微組織觀察結(jié)果,發(fā)現(xiàn)組織不均勻的情 況,故判定是正火工序出現(xiàn)差錯導(dǎo)致。

首先,對正火后的其他筒形件重新進(jìn)行硬度檢 測,結(jié)果發(fā)現(xiàn):筒形件沿軸向的硬度嚴(yán)重不一致,一 端硬度為240HB,另一端硬度為170HB,且較硬的 一端周向硬度也存在不一致的情況,個別位置處的 硬度達(dá)300HB。

通過對筒形件熱處理設(shè)備進(jìn)行調(diào)查和檢查發(fā) 現(xiàn),前期該設(shè)備進(jìn)行了維修,其爐內(nèi)氣體的冷卻方式 選取了適用于中型件和小型件的單向冷卻方式,但這種方式不利于大型筒形件的冷卻,導(dǎo)致大型筒形 件正火冷卻時一端冷速偏快,另一端冷速則較慢,正 火后兩端硬度差別較大。筒形件旋壓時,硬度較高 的一端容易開裂。另外,該批筒形件旋壓開裂數(shù)量 約占已旋壓數(shù)量的65%,均為嚴(yán)重開裂,生產(chǎn)暫停。

3 分析與討論

3.1 筒形件旋壓開裂的原因

從理化檢驗(yàn)、排查結(jié)果綜合分析得出:大型筒形 件的冷卻方式選取不當(dāng),筒形件冷卻不均,導(dǎo)致其硬 度不均,出現(xiàn)了富硅的島狀偏析區(qū),這是筒形件旋壓 塑性變形不均甚至開裂的主要原因;該批筒形件冶 煉后殘存較多諸如硫化物、氮化鈦等夾雜物,造成局 部應(yīng)力集中,形成開裂源,這是影響筒形件的塑性變 形能力,造成其開裂的次要原因。

3.2 對策及實(shí)施效果

針對筒形件開裂的原因,改進(jìn)了筒形件旋壓前的 熱處理工藝,選取適用于大型工件的雙向交替冷卻方式及工藝參數(shù),對旋壓工藝也進(jìn)行了改進(jìn)、完善。然 后,將該批剩余原材料重新進(jìn)行試生產(chǎn)。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證: 改進(jìn)工藝后大型筒形件的變形量、探傷結(jié)果、水壓試驗(yàn) 強(qiáng)度等均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求,沒有出現(xiàn)旋壓開裂、水壓 試驗(yàn)開裂的情況。產(chǎn)品正式恢復(fù)生產(chǎn)后,質(zhì)量穩(wěn)定,這 表明開裂原因分析準(zhǔn)確,改進(jìn)措施實(shí)施有效。

4 結(jié)論

(1)該批大型筒形件旋壓開裂的主要原因是熱 處理時冷卻方式選取不當(dāng),導(dǎo)致組織不均勻,硬度不 均勻。另外,原材料中存在脆性化合物,導(dǎo)致材料塑 性變形能力降低也是發(fā)生開裂的次要原因。

(2)改進(jìn)熱處理工藝,選用適用于大型工件的 雙向交替冷卻方式,并對旋壓工藝進(jìn)行改進(jìn)、完善后 旋壓件均未發(fā)生開裂,產(chǎn)品性能滿足技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉正義.機(jī)械裝置失效分析圖譜[M].廣州:廣東科技 出版社,1990:468.

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 57卷 > 11期 (pp:75-78)>