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27SiMn钢淬火裂纹分析

27SiMn钢淬火裂纹分析 

近期,单位某零件在热处理过程中出现批量淬火裂纹,报废比例达20%之高。零件的材质为27SiMn,采用的热处理工艺为480℃预热(30min)+(900±10)℃×15min盐浴加热循环水冷+500℃回火。本文对零件的淬火裂纹原因进行了理化分析,提出了解决方案,并在随后的生产中取得了良好的效果。


1.理化分析

(1)宏观观察

如图1所示,通过对热处理报废的零件进行观察,发现零件所有的淬火裂纹均出现在零件内孔或附近,在宏观状态下,裂纹沿零件的内孔径向呈蜿蜒的小锯齿状前进,长达几毫米至十几毫米不等,沿轴向方向深度2~5mm,一般每个零件都有数道裂纹。

(2)化学成分检测

将开裂的零件取样进行化学成分检测,检测结果如表1所示,其化学成分符合GB/T 3077-1999《合金结构钢的化学成分与力学性能》。

表1  27SiMn钢零件化学成分(质量分数) (%)

化学元素

C

Si

Mn

P

S

GB/T  3077

0.240.32

1.101.40

1.101.40

≤0.35

≤0.35

检测结果

0.32

1.24

1.25

0.019

0.005

(3)金相分析

在零件裂纹部位取样进行金相观察。如图2所示,在金相显微镜下,可明显观察到裂纹沿晶界蜿蜒曲折前进;裂纹两侧未发现脱碳氧化现象,应是在淬火过程中产生的裂纹;裂纹沿晶界开裂,应属沿晶断裂;裂纹尾端及两侧存在数量较多的白色网状组织,经显微硬度检测为312HV,可以断定白色网状组织为网状铁素体组织。晶粒内部为回火索氏体组织及少量的羽状上贝氏体组织。

在淬裂的零件心部取样进行金相观察,如图3所示,零件的基体组织为回火索氏体组织+白色网状组织和少量的上贝氏体组织。对白色网状组织进行显微硬度检测,其显微硬度值在300HV左右,可判断为其为网状铁素体组织。

2.讨论

钢铁材料在淬火状态下,铁素体组织存在的形式一般有两种:


第一种形式,亚温状态下淬火或正常温度淬火但保温时间很短时,铁素体组织由于未完全转变成奥氏体或者来不及转变而在随后的淬火冷却中而保留下来,其形态在晶界或晶粒内部呈块状或半月牙状;第二种形式,正常温度淬火,但冷却时由于高温冷速缓慢,铁素体组织会优先在晶界呈网状析出。


铁素体组织在基体组织中存在形式的不同对材料的性能有很大影响,第一种形式,铁素体组织由于未完全奥氏体化而在基体组织中的晶界或晶粒内部呈块状或半月牙状分布,一般来说,对于缓解淬火应力、减少淬火裂纹、改善低温脆性具有较好的效果,原因在于马氏体相变时所产生的组织应力和相变应力会由于铁素体组织的良好塑形得到很大程度缓解,加之铁素体组织呈块状或半月牙状分布于晶界上,可溶解较多的S、P等痕迹元素,对于消除可逆回火脆性、改善钢的冷脆性有明显效果。


第二种形式,铁素体组织由于在淬火过程中高温冷速过缓,造成铁素体组织率先呈网状沿晶界析出分布,此种组织形态对于钢的机械性能影响很大,会大大降低材料的冲击韧性、提高淬火裂纹的发生概率。原因在于铁素体组织呈网状分布于晶界,由于铁素体组织强度低,可固溶较多的痕迹元素,大大弱化了晶界强度,降低冲击韧性,淬火时一旦材料的组织应力和相变应力过大,裂纹将优先在网状铁素体所在的晶界形核,并沿晶界蜿蜒开裂,造成质量事故。


本文中,淬裂的零件的裂纹部位均出现在内孔处。从淬裂零件的金相组织可以明显地观察到,其存在数量较多的网状铁素体组织,且裂纹沿晶界曲折蜿蜒裂开,这说明零件在淬火冷却过程中出了问题。从上面的理化检测可以看出,27SiMn钢的合金元素,尤其是碳含量偏上限,因此淬透性较好;一般情况下,27SiMn钢的临界直径,在20℃静水中可达38mm,而零件的有效厚度为13mm,因此在正常状态下,零件在水中能够完全淬透,热处理后的正常金相组织应为回火索氏体组织,但是从图2和图3的金相组织观察来看,组织中出现数量较多的网状铁素体组织及少量的上贝氏体组织,这是不正常的。


零件的淬火介质为循环自来水。水的冷却性能对温度非常敏感,水温高于40℃时,冷却性能会大幅下降,其在高温区(500~700℃)的冷却能力急剧下降,而在低温马氏体相变区(200~350℃)的低温冷却能力下降较少,这一点可以从图4中看出。这样极易造成的后果是:零件在高温区冷却缓慢,导致奥氏体组织首先转化成铁素体组织并呈网状分布在晶界上,弱化晶界;而在低温区冷速过快,奥氏体转变成马氏体组织,组织应力过大。

笔者通过现场调查走访,盐浴炉的控温系统正常,热电偶检测精度合格,但发现零件在热处理过程中存在3个问题:第一、淬火水槽节门损坏,淬火水槽的循环水更换不畅;第二、盐浴炉主电极的流动冷却水(水温较高)直接流到淬火水槽中,造成淬火水槽的水温较高;第三、零件在实际淬火时,每炉淬火间隔的时间较短,且水槽容积较小,水槽里自来水的更新速度不及时。以上三个因素导致零件在淬火时水温过高,根据调查推断水温可在50~60℃。由此可以判断得出,水温过高导致水在零件高温区的冷却性能大幅下降,零件淬火后,铁素体组织呈网状在晶界上分布,造成晶界强度急剧下降,而低温冷却性能却变化不大,导致在低温区马氏体转变时冷速过快,拉应力过大,裂纹沿晶界开裂。


另外,零件的形状及淬火方式对材料产生裂纹也起到了一定的作用。零件形状较为复杂,其采用盐浴炉加热,淬火夹具从内孔处穿过,零件呈竖排状装夹,如图5所示。每一夹具装卡零件的数量较多,夹具较长,采用行车淬火时,由于行车速度限制,零件淬火时夹具入水较慢,使得零件之间及单个零件不同部位的冷却速度不同;同时,由于淬火夹具从零件的内孔处穿过,致使内孔流水不畅(零件的内孔直径为16mm),造成内孔冷速缓慢;还有,如图5所示,零件入水时,位置1首先冷却,而位置2由于其凹处兜空气,使得此处及其位置3处的内孔冷却更慢。

内孔冷却缓慢会导致其部位更容易析出网住铁素体组织,弱化晶界,还使其在高温区冷却产生的残余热应力值相对较小,而在低温的马氏体相变区域内冷却产生的组织应力很大,两者叠加会造成内孔表面呈现很大的拉应力状态,当拉应力值超过其抗拉强度,会在内孔处造成裂纹。


3.结论及改进措施

(1)零件的形状及其淬火方式导致其内孔冷速缓慢,在内孔处产生较大的拉应力。


(2)零件在淬火过程中,由于淬火水槽节门损坏等原因,造成流水不畅,水温升高,使水的冷却性能大幅下降,铁素体组织呈网状分布于晶界上,造成晶界强度急剧下降,在残余拉应力作用下,裂纹沿晶断裂。


为了验证上述判断,笔者将水槽节门修好,在零件(同一批材料)下一批次试生产中,将淬火水温控制在30℃以内,并加大搅拌力度,结果零件淬裂率大大降低,低于1‰,验证了上述判断的正确性。


文/李鹏辉,凌云集团河北太行机械工业有限公司。


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