劉鳳連,董鳳奎,劉年富
(1.八步區(qū)經(jīng)濟貿(mào)易局,廣西 賀州 542899; 2.寶武杰富意特殊鋼有限公司,廣東 韶關 512123)
易切削鋼是在鋼中加入硫、鉛、硒、碲等易切削元素,使鋼的切削抗力減小,同時利用易切削元素本身和其所形成的化合物潤滑切削刀具的能力,在切削時易斷屑,減輕了磨損,從而降低了工件的表面粗糙度,改善了刀具壽命和生產(chǎn)效率。隨著機械加工的自動化和高效化,尤其是汽車工業(yè)的發(fā)展,易切削鋼應用越來越廣泛[1-3]。
某用戶在對1144易切削鋼進行剪切下料的過程中,發(fā)現(xiàn)剪切完成后部分材料存在端部開裂現(xiàn)象。由于存在端部開裂問題,需對材料進行挑選,影響了生產(chǎn)節(jié)奏,致使生產(chǎn)成本增加。為了找出材料端部開裂產(chǎn)生的原因,避免后續(xù)再出現(xiàn)此類問題,對剪切開裂試樣進行化學成分分析、金相組織觀察、掃描電鏡及能譜成分分析,分析了1144易切削鋼剪切開裂的原因,并提出了改進措施。
采用德國OBLF QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀對開裂的1144易切削鋼進行化學成分分析,結果見表1。由表1可知,1144易切削鋼的化學成分符合內(nèi)控要求,材料成分無異常。
表1 1144易切削鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù),%) Table 1 Chemical composition of the 1144 free cuttingsteel(mass fraction,%)
對剪切開裂的端面進行目視觀察,裂紋方向與剪切方向相垂直,裂紋開口尺寸從圓鋼的一側表面向另一側逐漸變小,如圖1所示。使用德國蔡司Stemi508型體視顯微鏡對開口較大一側的外表面進行觀察,在此區(qū)域的鋼材外表面存在一條與開裂部位相連的縱向細裂紋,如圖2所示。
圖2 表面裂紋宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of the surface crack
使用切割機在縱向細裂紋處對試樣進行橫剖,然后對試樣橫剖面進行磨制拋光,使用德國萊卡DMILM型倒置數(shù)字顯微鏡對試樣拋光面進行觀。發(fā)現(xiàn)裂紋深約326 μm,與表面呈60°交角,裂紋向內(nèi)有分叉現(xiàn)象,其內(nèi)有大量不連續(xù)的灰色氧化物和少量黑色顆粒,見圖3。使用4%的硝酸酒精溶液對試樣拋光面進行浸蝕,清洗吹干后觀察其組織形貌,裂紋處存在脫碳現(xiàn)象,其附近組織為鐵素體+珠光體,見圖4;基體組織為珠光體+鐵素體,見圖5。
圖3 裂紋處微觀形貌Fig.3 Micromorphology of the crack
圖4 裂紋處顯微組織Fig.4 Microstructure of the crack
圖5 基體顯微組織Fig.5 Microstructure of the matrix
(a)能譜分析位置;(b)能譜分析圖圖6 灰色氧化物能譜圖(a) energy spectrum analysis location;(b) energy spectrum analysis diagramFig.6 Energy spectrum of the gray oxide
使用配備牛津X-Max電制冷能譜儀的蔡司EVO18掃描電子顯微鏡對裂紋內(nèi)灰色氧化物和黑色顆粒進行微區(qū)成分分析。經(jīng)能譜成分分析發(fā)現(xiàn),灰色氧化物主要含有Fe、O、Mn等元素,如圖6所示;黑色顆粒主要含有Si、Ca、Mn、Mg、Fe、O等元素,如圖7所示。裂紋處主要元素分布情況見圖8。
(a)能譜分析位置;(b)能譜分析圖圖7 黑色顆粒能譜圖(a) energy spectrum analysis location;(b) energy spectrum analysis diagramFig.7 Energy spectrum of the black particle
圖8 裂紋處元素分布圖Fig.8 Elemental distribution of the crack area
剪切開裂通常是由于剪切工藝不當[4]、材料存在缺陷[5-7]或兩者相結合[8]造成的。此1144易切削鋼剪切裂紋開口尺寸從圓鋼的一側表面向另一側逐漸變小,由此可知,裂紋源位于開口較大的圓鋼表面處。在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)一條與開裂部位相連的縱向細裂紋,而此鋼材的化學成分符合內(nèi)控要求,基體組織為正常的珠光體+鐵素體,未見其他異常組織,由此判斷材料剪切開裂主要與材料表面存在縱向裂紋有關。由于材料表面存在縱向裂紋,破壞了基體的連續(xù)性,并致使此處容易產(chǎn)生應力集中,嚴重降低了鋼材的剪切抗力。剪切時,在剪切應力的作用下,材料沿表面縱向裂紋處起裂,最終造成端面剪切開裂。
客戶僅對材料進行剪切下料,未進行其他加工及熱處理。而從金相及能譜結果來看,材料表面縱向裂紋有分叉現(xiàn)象,其內(nèi)有大量不連續(xù)含有Fe、O、Mn的灰色氧化物和少量含有Si、Ca、Mn、Mg的黑色顆粒且存在脫碳現(xiàn)象。由此可知,材料表面縱向裂紋應是連鑄時產(chǎn)生的表面缺陷,在后續(xù)的加熱軋制環(huán)節(jié)未能完全焊合造成的。
為了避免因材料表面縱裂紋造成剪切開裂,鋼廠應加強鋼材表面質(zhì)量控制,并加強材料出廠前的表面質(zhì)量把關,防止存在嚴重表面裂紋的鋼材流入下游。
1)鋼材表面存在縱向裂紋,破壞了基體的連續(xù)性,嚴重降低了鋼材的剪切抗力,是1144易切削鋼剪切開裂的主要原因。
2)鋼廠加強鋼材表面缺陷把關工作,解決了由表面裂紋造成的剪切開裂問題。