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支护装备用42CrMo导向套裂纹原因分析

2025-04-03 74 上传者：管理员

摘要：42CrMo导向套是煤炭行业支护装备中的重要工件。某批导向套在热处理后的机加工过程中出现了裂纹，影响其正常使用。通过金相显微镜和扫描电镜对试样的化学成分、金相组织、夹杂物、断口进行分析，对裂纹的成因进行探究。结果表明，该批次42CrMo导向套表面裂纹为淬火应力裂纹，导向套在淬火过程中淬火温度过高、冷却速度较快、回火不及时导致内应力超过其强度极限产生裂纹。

关键词：
内应力
导向套
机械制造
淬火开裂
热处理
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42CrMo调质钢具有良好的力学性能和机加工性能,在机械制造领域及煤炭行业支护装备等方面得到了广泛应用[1-3]｡Cr元素在钢中能形成碳化物､形成固溶体,有效地改善机械性能､耐磨性和耐蚀性等,同时增加钢的淬火硬度和淬火后的变形能力[4-6]｡Mo元素的存在提高了钢的淬透性,减少其回火脆性[7]｡42CrMo在水中的临界淬透直径为φ46~145mm,在油中的临界淬透直径为φ26~107mm,其典型的热处理工艺为调质处理,回火处理后获得的组织是回火索氏体,硬度可达25~40HRC,使产品具有较高强度和韧性｡

以42CrMo为原材料的导向套是煤矿用液压支架千斤顶中的关键结构件之一｡近期某公司生产的一批导向套在粗车或精车后发现裂纹,裂纹的存在严重影响产品的质量｡由于发现裂纹的工序为粗车和精车,上游工序有选料､锻造和热处理,而分析是哪一工序过程产生的裂纹至关重要｡本文旨在分析这批导向套裂纹产生的原因,为之后的生产提供理论依据｡

1、导向套裂纹试样制备与分析仪器

(1)试样制备

采用线切割将裂纹所在区域切出长宽为10mm×10mm的试样,对试样裂纹所在面用砂纸打磨,并用4%硝酸酒精溶液腐蚀｡

42CrMo导向套常规的热处理工艺如图1所示,该批次导向套实际操作时,为方便配炉,采用了850℃和860℃的淬火温度,但在淬火后没有及时回火,最长间隔超过12h后才回火｡

图1导向套热处理工艺

导向套料质为42CrMo,其化学成分如表1所示,裂纹位置及形状如图2所示｡

表142CrMo化学成分(质量分数/%)

图2裂纹位置和形状

(2)分析仪器

使用莱卡金相显微镜和FEI-QUANTA-200型扫描电镜(SEM)对裂纹进行分析,并利用附带能谱仪(EDS)对裂纹所在表面进行面扫描和点扫描｡

2、试验分析

(1)原材料分析

将表1的结果与GB/T3077—2015《合金结构钢》中42CrMo的成分范围(如表2所示)对比,可知化学成分满足国标和技术协议要求,为了保证大规格圆钢产品性能,成分偏上限｡其中Mo元素可以提高钢的强度,改善钢的韧性和耐磨性,提高钢的淬透性,比Cr元素的作用要强,但增加了钢的淬裂倾向｡

表2国标42CrMo化学成分(质量分数/%)

对于锻造而言,合金元素范围不合规,或供货质量不稳定,导致不同批次间合金成分差异大,在使用同样锻造､热处理工艺的条件下,更易产生应力开裂｡因为成分和热处理工艺不匹配可能造成热处理内应力增加,产生裂纹缺陷｡结合对比结果,排除裂纹是由成分异常而产生｡

(2)夹杂物分析

为了识别裂纹的形貌和裂纹附近的原始夹杂物,对试样进行扫描电镜面扫描分析,扫描结果如图3所示｡

图3裂纹金相和面扫EDS图

S､P等元素形成的夹杂物会成为裂纹产生的源头[8]｡由图3可知,S和P元素并未发生偏析,并且工件基体没有出现夹杂物｡因此,开裂现象并非是由工件内部的原始夹杂物引起的｡

(3)裂纹点扫描分析

该裂纹的SEM图像如图4所示,各测试点的元素含量如表3所示｡裂纹EDS测试点中,裂纹始端点4与裂纹末端点5代表基体组织,点1､点2和点7､点8代表近裂纹位置,点3和点6代表裂纹内部｡

图4裂纹起始端与末端SEM点扫描图

表3裂纹化学元素含量(质量分数/%)

由图4(a)点1~点4可以看出,在裂纹起始端,裂纹两侧附近有明显的氧化,裂纹内部存在大量氧化物,而距离裂纹垂直方向约200μm的基体(点4)则已经没有氧化现象;由图4(b)点5~点8可以看出,裂纹末端也存在氧化现象,但相比裂纹起始端,末端的氧化程度要弱得多,只有轻微氧化｡由此表明,工件在淬火时产生裂纹,并经过高温回火后和空气与水发生反应,产生了氧化层｡

(4)锻造与热处理分析

裂纹的光学显微形貌如图5所示｡由图5可知,未腐蚀的裂纹周围未出现扩散的氧化物质点,腐蚀后裂纹两侧未见明显脱碳现象,组织与正常基体部位无明显差异｡

图5裂纹起始端与末端形貌

在裂纹处没有氧化物质点和脱碳现象,表明锻造原料在加热的过程中,裂纹周围的碳没有和氧发生化学反应｡因此,裂纹非锻造过程产生｡裂纹起始端较宽,末端裂纹呈细尖状,且形貌类似直线,周围没有脱碳现象,上述特征具有工件淬火纵向裂纹的典型特征,因此可以确定工件中出现的裂纹为淬火裂纹[9-10]｡

(5)断口分析

断口形貌如图6所示,断口呈现典型的准解理断口形貌,试样断口大部分区域呈沿晶开裂形貌,小部分区域为韧窝形貌,断裂模式为以沿晶断裂为主和韧性断裂混合模式｡

图6裂纹断口形貌

在淬火过程中,金属材料表面迅速冷却,而内部仍然保持高温｡由于冷却速度不均匀,产生了内部的温度梯度,使得材料表面收缩比内部快,导致了内部产生拉应力｡另外,作业过程中为了配炉提高了淬火温度,且淬火冷却速度过快,加上淬火后没有及时回火,这些因素都会导致内应力的积累,从而导致材料表面的应力超过其强度限制,产生沿晶裂纹,其裂纹不断扩展,造成工件的断裂｡

3、结语

(1)根据金相组织分析､EDS分析及工艺过程分析,工件中没有原始夹杂物,各种微量元素也不存在偏析现象,裂纹两侧也没有脱碳,裂纹形貌类似直线,因此表明导向套裂纹是在调质热处理工艺的淬火阶段形成,为热处理淬火裂纹｡

(2)在淬火过程中,金属材料表面迅速冷却,而内部仍然保持高温｡由于冷却速度不均匀,产生了内部的温度梯度,使得材料表面收缩比内部快,从而导致了内部拉应力｡作业过程中为了配炉提高了淬火温度,且淬火冷却速度过快,加上淬火后没有及时回火,这些因素都会导致内应力的积累,从而导致材料表面的应力超过其强度限制,产生沿晶裂纹,其裂纹不断扩展,造成工件的断裂｡

(3)后续生产中要求生产过程严格执行热处理工艺,不得随意变动工艺参数,淬火时严格控制冷却速度,淬火后及时回火,避免产生此类缺陷｡

参考文献:

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