MC5鍛鋼冷軋輥表面淬火斷裂原因分析

張 楊， 黃 飛

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003； 2.國家鋼鐵及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 馬鞍山 243000)

引 言

冷軋輥廣泛應(yīng)用于金屬材料的冷加工，大多是Cr系鍛鋼材料經(jīng)系列熱處理和機(jī)加工制造而成[1-4]。某MC5鍛鋼冷軋輥輥身在制造過程中進(jìn)行表面感應(yīng)淬火時(shí)發(fā)生斷裂，輥身處直徑約為Φ115 mm，其生產(chǎn)加工工藝為：電弧爐冶煉—鑄錠—電渣重熔—鍛造—正火—球化退火—粗加工—調(diào)質(zhì)處理—半精加工—輥身表面淬火—深冷處理—低溫回火—精磨—去應(yīng)力退火—精加工—檢驗(yàn)交貨。該冷軋輥在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行輥身表面感應(yīng)淬火時(shí)即發(fā)生輥身斷裂，為查明原因，本文對其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及斷裂原因分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口檢驗(yàn)

對斷裂的軋輥進(jìn)行宏觀形貌觀察，如圖1所示。由圖1(a)可知，斷口位于輥身部位，軋輥的斷口附近無明顯頸縮，斷口與輥身軸線幾乎垂直，呈脆性斷裂，輥身截面無明顯扭曲變形，其宏觀斷口剖面如圖1(b)所示。由于斷裂后斷口未進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，其斷口具有明顯銹蝕，中心至軋輥表面處呈現(xiàn)放射狀，觀察可知，裂紋源位于軋輥橫截面約中心部位，經(jīng)測量，距離輥面最近距離約55 mm，且具有明顯銹蝕；裂紋在中心區(qū)域萌生后，在應(yīng)力的作用下，裂紋向軋輥外部周向擴(kuò)展，在裂紋擴(kuò)展區(qū)，有明顯的纖維狀區(qū)域，在終斷區(qū)斷口平齊，無明顯的塑性變形，可見明顯的剪切唇。

圖1 宏觀斷口形貌圖

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂的MC5軋輥上截取30 mm×40 mm試塊在砂帶機(jī)上磨平，用ARL3460火花直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。該軋輥的化學(xué)成分符合GB/T 13314-2008[5]對MC5(8Cr5MoV)軋輥鋼的技術(shù)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果/%

1.3 硬度測試

在斷裂的輥身上截取整截面試驗(yàn)樣塊，厚度約為30 mm，經(jīng)機(jī)械加工磨床磨平后，在輥身截面的中心部位存在明顯的肉眼可見孔洞(如圖2所示)，依據(jù)GB/T 230.1-2009[6]標(biāo)準(zhǔn)對截面沿直徑方向進(jìn)行硬度測試，測試曲線如圖3所示。

由測試的曲線圖可知，沿直徑方向的硬度隨著距表面距離增大，硬度減小，硬度分布呈現(xiàn)邊部一定厚度的淬硬區(qū)域，心部具有較低硬度的調(diào)質(zhì)硬度區(qū)域，最大值與最小值之差值為(59.6-30.1)=29.5 HRC，為輥身的調(diào)質(zhì)硬度和表面感應(yīng)淬火的硬度差值。分析認(rèn)為，輥身經(jīng)過表面淬火，故其表面硬度為(52.5～59.6)HRC，

圖2 輥身截面硬度測試樣品

圖3 軋輥橫截面直徑方向硬度分布曲線圖

符合感應(yīng)淬火隱針馬氏體硬度的要求；而心部處于調(diào)質(zhì)的熱處理狀態(tài)，實(shí)際的制造技術(shù)要求此軋輥的心部調(diào)質(zhì)硬度為(30～35)HRC，而實(shí)際測試的輥身心部的硬度為(30.1～33.4)HRC，符合調(diào)質(zhì)狀態(tài)硬度的要求，過渡區(qū)域約為45HRC，這是由其顯微組織決定的，此外，依據(jù)硬度檢測數(shù)據(jù)，可以推知其表面淬火層厚度約為30 mm，由此可知，輥身處的硬度符合設(shè)計(jì)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

1.4.1 非金屬夾雜物

在輥身處截取縱向試塊，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、粗拋、精拋后在Observer.A1m型金相顯微鏡下觀察，根據(jù)GB/T 10561-2005[7]規(guī)定的A法評定非金屬夾雜物級別，結(jié)果如表3所示，除少量A類及D類非金屬夾雜物外，并無其他非金屬夾雜物，符合GB/T 15547-2012[8]的要求。

1.4.2 顯微組織

在軋輥斷口附近的近表面和中心部位取橫向試樣，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、粗拋、精拋，在Observer.A1m型金相顯微鏡下觀察，如圖4所示。如前所述，其中心部位存在肉眼可見的孔洞，其內(nèi)壁較為粗糙，由此可知其為殘余縮孔，如圖4(a)所示；其距離輥面最近距離約55 mm，其附近亦存在較小的縮孔，如圖4(b)所示。在縮孔附近還存在較多的疏松，如圖4(c)所示。顯然這些缺陷的存在，極大地降低了軋輥心部材料的承載能力。

用4%硝酸酒精腐蝕，其顯微組織如圖5所示。由圖5(a)可知，其近表面的金相組織主要是隱針馬氏體，可以隱約看出原始奧氏體晶界，符合表面淬火組織要求。由圖5(b)可知，其心部組織為回火索氏體。分析認(rèn)為，其金相組織符合心部為調(diào)質(zhì)組織，而邊部有一定厚度組織為隱針馬氏體的淬硬層的要求。由感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9204-2008[9]，可以評定其馬氏體級別為6級，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的3～7級的要求。故可排除由于調(diào)質(zhì)處理和表面淬火生產(chǎn)工藝不當(dāng)造成的斷裂。

表3 非金屬夾雜物評級(級)

圖4 輥身心部(近斷口處)金相照片(拋光態(tài))

圖5 軋輥金相組織照片(4%硝酸酒精腐蝕)

對金相試樣進(jìn)行較長時(shí)間的4%硝酸酒精腐蝕，如圖6所示。觀察可知，其近表面和心部的碳化物均未呈現(xiàn)出網(wǎng)狀分布，依據(jù)GB/T 1299-2014[10]標(biāo)準(zhǔn)評定其網(wǎng)狀碳化物級別為1級，均符合GB/T 13314-2008的要求。

圖6 軋輥碳化物金相照片(4%硝酸酒精深腐蝕)

2 分析與討論

從輥身截面的硬度和金相組織來看，軋輥表層具有較高硬度的淬硬組織，內(nèi)部具有較低硬度的調(diào)質(zhì)組織，此冷軋輥輥身符合心部為調(diào)質(zhì)組織，而邊部有一定厚度組織為隱針馬氏體的淬硬層的要求，故可排除由于工藝控制不當(dāng)造成的淬火斷裂。

在淬火過程中，當(dāng)淬火產(chǎn)生的巨大淬火應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度并超過材料的塑性變形極限時(shí)，即會(huì)使材料產(chǎn)生裂紋源。在對軋輥進(jìn)行表面感應(yīng)淬火時(shí)，會(huì)產(chǎn)生淬火應(yīng)力，淬火應(yīng)力是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力疊加的結(jié)果。相關(guān)文獻(xiàn)指出，在感應(yīng)淬火時(shí)，淬火應(yīng)力的變化總體趨勢是表面為壓應(yīng)力，從表面往里逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，這是由于軋輥在表面淬火時(shí)，表面淬火不能使整個(gè)橫截面奧氏體化，故淬火時(shí)試樣內(nèi)部溫度不高，一方面，表面淬火前，軋輥表面為回火索氏體，表層轉(zhuǎn)化為奧氏體要收縮，另一方面，溫度升高表層體積要膨脹，無論是膨脹還是收縮，由于受到未被加熱的心部牽制，都會(huì)導(dǎo)致表層的塑性變形使本該產(chǎn)生的應(yīng)力松弛，根據(jù)冷卻終了的狀態(tài)，試樣心部無變化，但加熱后受到急冷的表層，卻因馬氏體相變而發(fā)生體積膨脹，會(huì)受到心部牽制，本來要膨脹的表層由于受到內(nèi)側(cè)的牽制而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，心部則形成拉應(yīng)力。

在冷卻過程中，輥身心部承受的拉應(yīng)力達(dá)到峰值，而輥身心部存在的縮孔、疏松缺陷，使得其淬火產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力超過了此處材料的承載強(qiáng)度，故而在此缺陷處萌生裂紋，在拉應(yīng)力的作用下迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致材料斷裂，其較大縮孔的位置與起裂源的位

置均在距離軋輥?zhàn)罱砻婕s55 mm處。

3 結(jié)束語

MC5軋輥輥身感應(yīng)淬火斷裂的原因是軋輥坯料心部存在縮孔和疏松所致，在軋輥表面淬火冷卻過程中，其心部承受的拉應(yīng)力達(dá)到峰值，而輥身心部存在的縮孔、疏松缺陷，使得其淬火產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力超過了此處材料的承載強(qiáng)度，故而在此缺陷處萌生裂紋源，在拉應(yīng)力的作用下迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致軋輥輥身的斷裂。

生產(chǎn)廠家應(yīng)通過改進(jìn)輥坯質(zhì)量，提高軋輥的內(nèi)在質(zhì)量，按照規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行鑄坯內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)控制制度，特別是在內(nèi)部質(zhì)量探傷時(shí)，嚴(yán)格按照所制定的規(guī)范執(zhí)行，杜絕成品中內(nèi)部缺陷的存在，滿足感應(yīng)淬火時(shí)輥坯的質(zhì)量要求。