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时间:2020-04-05
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1、Research&AcI!壅苎壁里床顶尖断裂原因分析团(黑龙江齐齐哈尔161005)徐显卉张吉浩【摘要】大型机床顶尖淬火回火后断裂,通过断口分析、金相分析、硬度分析及化学成分分析,最终得出结论,该顶尖断裂原因为原材料存在缺陷,致使顶尖在后续热处理过程中,加热冷却或组织转变时内部拉应力超过了缺陷材料本身的强度,造成断裂。我公司生产的大型机床顶尖材料为9Cr2Mo,工艺流程为:正火一球化退火一机加顶尖局部淬火一低温回火。该零件己经加工制作多件,各项过程工艺一直较稳定,此次发现有部分零件出现淬火回火后断裂现象
2、。由于该零件单件重量较大,批量较大,为查找原因,防止问题的再次发生,为此做了大量工作。一、理化检验图1、图2、图3所示为顶尖断IZl,顶尖规格为200mm×600mm。断口表面有明显的凹凸感,呈层图2断口凹型表面状分布,中心有长约20mm的裂缝,整个断口有人字形或山脊形花样,并存在以轴心为中心的放射状花纹区,断口边缘20~30mm的范围内致密,L、部相对较粗。从开裂断口看,裂纹起源心部,且心部D处裂缝为轴向,因此整个断口呈横断和纵劈相结合的宏观特征。图3中心裂纹源13处局部微观断口分析在整个顶尖断口的1
3、区和2区分别取样,在SEM下观察,发现l区(淬硬区)、2区(非淬透区)断口均呈现解理或准解理状态,因夹杂物的存在,中心区域因断口上呈现部分夹杂物为裂源的准解理图1断口凸型表面形貌(如图4、图5所示)。参磊旺—壅苎皇里IResearc矗&铆砌图4淬硬区SEM准解理形貌图6试片1号低倍检验图片图5中心区准解理形貌化学成分如附表所示。图7试片2号低倍检验图片试验所用顶尖材料化学成分(质量分数)(%)未淬火的顶尖球化退火粗加工后的金元素CSiMnCrMo相组织如图8所示,可观察到球状珠光体及实测值O.870-3
4、0O_261.400-25细粒状碳化物,根据GB/TI299,球化级别标准值(JB/0.85~0.95O_25加.45O-20加I351.70~2.100.20~o.40T640l—l992)为1级。说明此件顶尖球化退火已达到了工艺要求。根据JB/T6401—1992标准,该顶尖的材质符合9CrMo要求。硬度检测:顶尖表面47~48HRC,心部27~28HRC。图样技术要求为顶尖表面56HRC。低倍检验:断裂顶尖未开裂部位及靠近开裂部位切取低倍试块两片分别为1号、2号。1:1盐酸水溶液60~80~C热酸
5、蚀后,如图6、图7所示。有宏观裂纹的试片1号:两条裂纹中间粗(B所指)两头细,说明裂纹开始干内部。中心c有连接的疏松。图8与断裂顶尖同批顶尖球化退火组织没有宏观裂纹的试片2号:发现有最长约30mm呈如图7箭头所指走向的锻造裂纹。1号、2号两试片淬硬淬火后表层组织如图9、图10(实物表面)所示。层深度均为8mm左右。图9显示隐针马氏体、细粒状碳化物和少量残留奥氏国I!堕箜!!塑垫丝参磊工热加工metalworkinor1950.comResearc&铆胁nl!壅皇壁里体。图l0与图9相比,组织有明显贫碳区
6、(图中箭头所指),为表层轻微脱碳的结果。1~t12试片1号上B处夹杂物分布图9低倍试片上淬硬层组织m13试片2号上淬硬区中有未溶碳化物图1O顶尖前端锥体表面淬火组织二、分析及结论(1)由硬度检验结果及表层金相组织看,硬度低在低倍试片l号(离断裂位置较近)上的中心缩孔于技术要求,结合所了解的现场情况,原因是该顶尖位置c处的夹杂物分布情况如图11所示,氧化物夹杂2.5属直径较大的合金钢锻件,有效淬硬深度只有10mm左级,中心缩孔边缘有灰色夹杂物。沿裂纹边缘特别是裂右,因此淬火冷却速度相对较慢,致使淬火件在中
7、温区纹锯齿部位有大量如图l2所示的灰色夹杂物。停留时间较长,形成部分非淬火组织。同时如图】0所另外,在低倍试片2号上淬硬层中,发现未溶网状示,顶尖表面有轻微脱碳,必然造成硬度不足。碳化物(如图13所示),说明此顶尖前序预备热处理正(2)由断lq形貌和金相检验结果看,该工件存在火及球化退火存在问题。严重的如中心疏松,或大量氧化物、硫化物夹杂等冶炼缺陷,它们是导致顶尖淬火、回火后开裂的直接原因。因为材料本身存在的这些缺陷,破坏了材料的连续性,使材料本身的强度较低,往往会成为淬火断裂根源。(3)再从淬火内应力
8、的角度看,国际、国内专家都做过大量的相关试验研究。零件淬火残余应力的分布会存在尺寸效应,随着直径由小到大,零件逐渐由淬透型向非完全淬透型变化,内部综合应力随之由组织应力型逐渐向热应力型转化。热应力型残余应力表现为表面是压应力状态,心部为拉应力状态,轴向、径向、切向图11试片1号上杂夹物分布应力的最大值点都在零件的中心部位,而且残余应力峰参磊旺—!壅皇壁里IResenrch&Applicati州值会随着零件尺寸的增大逐渐增大(如图14所示)。
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