摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗、硬度測試等方法對軋機 飛剪剪刃的斷裂原因進行分析。結果表明:飛剪剪刃的斷裂原因與其使用過程中剪刃口接觸軋材 區域產生的熱疲勞有關。
關鍵詞:軋機;飛剪剪刃;斷裂;熱疲勞
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0043-03
飛剪是重要的軋材剪切設備,其中剪刃是飛剪 設備中的重要部件,因其工作條件特殊,對飛剪剪刃 材料的性能要求非常高,既要有很高的強度、硬度以 及耐磨性,也要有一定的韌性。目前,一般使用工模 具鋼制造飛剪剪刃。某高速線材軋機在生產過程 中,其1# 飛剪剪刃發生斷裂,造成產線緊急檢修并 更換剪刃。筆者采用一系列理化檢驗方法對該軋機 飛剪剪刃的斷裂原因進行分析,以防止該類問題再 次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂剪刃局部和完好剪刃整體宏觀形貌如圖 1所示,斷裂發生在兩個固定孔之間。剪刃沿垂直 于刀刃方向斷開,斷口表面較為平整,斷裂源位于 剪刃的刀刃處,斷裂源附近斷口表面有明顯的裂 紋擴展紋路,斷裂源附近存在明顯的燒蝕變色區 域(見圖2)。
1.2 化學成分分析
使用直讀光譜儀對飛剪的斷裂剪刃試樣進行化 學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:剪刃的 化學成分符合技術要求。
1.3 金相檢驗
在飛剪剪刃斷裂源附近外表面制取金相試樣, 將試樣橫向磨拋并腐蝕后,置于光學顯微鏡下觀察, 發現斷裂源附近外表面燒蝕變色區域存在“龜裂”現 象,裂紋縫隙內存在少量灰色氧化物(見圖3)。剪 刃正常處顯微組織形貌如圖4所示,遠離斷裂源處 的正常基體表面未發現裂紋等明顯缺陷,基體組織 為馬氏體。
1.4 掃描電鏡(SEM)和能譜分析
對剪刃斷裂源附近表面“龜裂”處裂紋縫隙內的 灰色氧化物進行掃描電鏡和能譜分析,結果如圖5和 表2所示。由表2可知:其主要含有Fe、O、Cr等元 素,說明灰色氧化物為氧化鐵和氧化鉻的混合物。
1.5 硬度測試
使用洛氏硬度計對飛剪剪刃斷裂源附近外表面 進行硬度測試,其洛氏硬度約為52HRC;對遠離斷 裂源部位進行硬度測試,洛氏硬度約為61HRC。
2 綜合分析
斷裂試樣為飛剪剪刃的一部分,斷裂發生在兩固 定孔之間,剪刃沿垂直于刀刃方向斷開,斷口表面較為 平整,斷裂源位于剪刃的刀刃處,斷裂源附近斷口表面 存在明顯的裂紋擴展紋路,斷裂源附近存在明顯燒蝕 變色區域。結合飛剪的工作環境及受力狀態可知:斷 裂源位于剪刃中部區域,該區域為飛剪剪刃在剪切高 溫狀態軋材時受力最集中,且受高溫影響最明顯的區 域[1],燒蝕變色的原因為該區域長期受高溫影響。
金相檢驗發現,斷裂源附近外表面燒蝕變色區 域存在“龜裂”現象[2],裂紋縫隙內存在少量灰色氧 化物,能譜分析結果表明,該灰色氧化物為氧化鐵和 氧化鉻的混合物。遠離斷裂源處的正常基體表面未 發現裂紋等明顯缺陷。飛剪剪刃斷裂源附近外表面 的洛氏硬度約為52HRC,遠離斷裂源部位的正常 基體洛氏硬度約為61HRC,說明剪刃的硬度超出 了技術規范的范圍,而硬度差異較大可能與斷裂源 附近長期受高溫影響,導致組織產生了變化有關[3]。
飛剪剪刃斷裂源附近外表面燒蝕變色區域存在 “龜裂”現象,且裂紋縫隙內存在氧化鐵和氧化鉻等 氧化物,該特征為典型的金屬熱疲勞[4],熱疲勞是由 飛剪剪刃工作時受溫度梯度影響引起的。剪刃在工 作時(剪切軋材時)接觸高溫軋材,使剪刃口斷裂源 處很小的區域急劇升溫,剪切結束后又急劇降溫,剪 刃口斷裂源處的熱量很難向剪刃其他區域傳導,使 遠離剪刃口的其他區域溫度較低。在剪刃內部產生 熱應力(溫差應力),隨著溫度的反復變化,熱應力也反復變化,從而使剪刃口斷裂源區域出現疲勞損傷, 進而產生裂紋缺陷(即“龜裂”現象),在后續的使用 過程中,裂紋不斷受力擴展,最終導致剪刃斷裂,且 飛剪剪刃高硬度、低塑性的特點對熱疲勞現象的產 生及裂紋的擴展也有一定的促進作用[5-7]。適當降 低飛剪剪刃的硬度及改善剪刃工作時的冷卻條件, 能避免熱疲勞現象的發生。
3 結語和建議
受高速線材產線設備及工藝要求的限制,改變 飛剪剪刃工作時的冷卻條件較為困難。建議在剪刃 的生產過程中,適當提高淬回火熱處理工序中的回 火溫度,降低成品剪刃的硬度,將硬度控制在技術要 求范圍內。
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