1144易切削鋼剪切開(kāi)裂原因分析

劉鳳連，董鳳奎，劉年富

(1.八步區(qū)經(jīng)濟(jì)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(guān) 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(shí)利用易切削元素本身和其所形成的化合物潤(rùn)滑切削刀具的能力，在切削時(shí)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(jī)械加工的自動(dòng)化和高效化，尤其是汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，易切削鋼應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。

某用戶在對(duì)1144易切削鋼進(jìn)行剪切下料的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)剪切完成后部分材料存在端部開(kāi)裂現(xiàn)象。由于存在端部開(kāi)裂問(wèn)題，需對(duì)材料進(jìn)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(kāi)裂產(chǎn)生的原因，避免后續(xù)再出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，對(duì)剪切開(kāi)裂試樣進(jìn)行化學(xué)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(kāi)裂的原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)分析

采用德國(guó)OBLF QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀對(duì)開(kāi)裂的1144易切削鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，1144易切削鋼的化學(xué)成分符合內(nèi)控要求，材料成分無(wú)異常。

表1 1144易切削鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) Table 1 Chemical composition of the 1144 free cuttingsteel(mass fraction，%)

1.2 宏觀分析

對(duì)剪切開(kāi)裂的端面進(jìn)行目視觀察，裂紋方向與剪切方向相垂直，裂紋開(kāi)口尺寸從圓鋼的一側(cè)表面向另一側(cè)逐漸變小，如圖1所示。使用德國(guó)蔡司Stemi508型體視顯微鏡對(duì)開(kāi)口較大一側(cè)的外表面進(jìn)行觀察，在此區(qū)域的鋼材外表面存在一條與開(kāi)裂部位相連的縱向細(xì)裂紋，如圖2所示。

圖2 表面裂紋宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of the surface crack

1.3 金相分析

使用切割機(jī)在縱向細(xì)裂紋處對(duì)試樣進(jìn)行橫剖，然后對(duì)試樣橫剖面進(jìn)行磨制拋光，使用德國(guó)萊卡DMILM型倒置數(shù)字顯微鏡對(duì)試樣拋光面進(jìn)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(jiàn)圖3。使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣拋光面進(jìn)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(jiàn)圖4；基體組織為珠光體+鐵素體，見(jiàn)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

1.4 能譜分析

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(duì)裂紋內(nèi)灰色氧化物和黑色顆粒進(jìn)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(jiàn)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

2 分析與討論

剪切開(kāi)裂通常是由于剪切工藝不當(dāng)[4]、材料存在缺陷[5-7]或兩者相結(jié)合[8]造成的。此1144易切削鋼剪切裂紋開(kāi)口尺寸從圓鋼的一側(cè)表面向另一側(cè)逐漸變小，由此可知，裂紋源位于開(kāi)口較大的圓鋼表面處。在此區(qū)域發(fā)現(xiàn)一條與開(kāi)裂部位相連的縱向細(xì)裂紋，而此鋼材的化學(xué)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(jiàn)其他異常組織，由此判斷材料剪切開(kāi)裂主要與材料表面存在縱向裂紋有關(guān)。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(yīng)力集中，嚴(yán)重降低了鋼材的剪切抗力。剪切時(shí)，在剪切應(yīng)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(kāi)裂。

客戶僅對(duì)材料進(jìn)行剪切下料，未進(jìn)行其他加工及熱處理。而從金相及能譜結(jié)果來(lái)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(yīng)是連鑄時(shí)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(kāi)裂，鋼廠應(yīng)加強(qiáng)鋼材表面質(zhì)量控制，并加強(qiáng)材料出廠前的表面質(zhì)量把關(guān)，防止存在嚴(yán)重表面裂紋的鋼材流入下游。

3 結(jié)論

1)鋼材表面存在縱向裂紋，破壞了基體的連續(xù)性，嚴(yán)重降低了鋼材的剪切抗力，是1144易切削鋼剪切開(kāi)裂的主要原因。

2)鋼廠加強(qiáng)鋼材表面缺陷把關(guān)工作，解決了由表面裂紋造成的剪切開(kāi)裂問(wèn)題。