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(qū)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(fā)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(fā)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(fā)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(qū) 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(fā)現(xiàn)斷裂源附近外表面燒蝕變色區(qū)域存在“龜裂”現(xiàn) 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?；w表面未發(fā)現(xiàn)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(fā)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(qū)域。結合飛剪的工作環(huán)境及受力狀態(tài)可知:斷 裂源位于剪刃中部區(qū)域,該區(qū)域為飛剪剪刃在剪切高 溫狀態(tài)軋材時受力最集中,且受高溫影響最明顯的區(qū) 域[1],燒蝕變色的原因為該區(qū)域長期受高溫影響。 

金相檢驗發(fā)現(xiàn),斷裂源附近外表面燒蝕變色區(qū) 域存在“龜裂”現(xiàn)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?；w表面未 發(fā)現(xiàn)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(guī)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(qū)域存在 “龜裂”現(xiàn)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(qū)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(qū)域傳導,使 遠離剪刃口的其他區(qū)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(qū)域出現(xiàn)疲勞損傷, 進而產生裂紋缺陷(即“龜裂”現(xiàn)象),在后續(xù)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(xiàn)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(xiàn)象的發(fā)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。 

參考文獻: 

[1] 賈憲,陳延偉,馬立峰,等.滾筒式飛剪剪切斷裂過程 綜合分析[J].熱加工工藝,2015,44(21):98-101, 106. 

[2] 陳劍虹,涉澤明秀,汪學陽,等.減少壓鑄模裂紋的工 藝研究與應用[J].特種鑄造及有色合金,2020,40 (8):851-853. 

[3] 王建平.回火溫度對新型模具鋼組織和性能的影響 [J].熱加工工藝,2015,44(4):213-215. 

[4] 王要利,宋克興,張彥敏.熱作模具鋼熱疲勞行為的研 究現(xiàn)狀[J].材料熱處理學報,2018,39(4):1-13. 

[5] 吉田潤二,于紅.抗熱疲勞裂紋新型熱作模具鋼的開 發(fā)[J].模具制造,2021,21(11):79-83. 

[6] 張旭,何文超,李東輝,等.熱作模具鋼熱疲勞機理及 性能改善的研究現(xiàn)狀[J].金屬熱處理,2020,45(9): 10-20. 

[7] 李健,錢大華.3Cr2W8V鋼熱應力疲勞探討[J].物理 測試,1986,4(2):4-6. 

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 4期 (pp:43-45)>