對(duì)焊銑刀斷裂原因分析

王春奕， 朱蒨2， 歐紅燕， 張全新

(1.重慶鋼鐵研究所有限公司，重慶 400084； 2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120)

0 前言

某公司生產(chǎn)的焊接帶柄高速鋼銑刀，通過(guò)結(jié)構(gòu)鋼與高速鋼對(duì)焊而成，銑刀刀體材質(zhì)為W6Mo5Cr4V2Al(M2Al鋼)，刀柄材質(zhì)為40Cr鋼，對(duì)焊銑刀在經(jīng)過(guò)最終熱處理后發(fā)生斷裂，斷裂部位位于離焊縫約5～10 mm處的刀體一側(cè)，發(fā)生斷裂的銑刀占有較大比例，給該公司造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。為防止產(chǎn)品再次出現(xiàn)此類問(wèn)題，對(duì)斷裂銑刀進(jìn)行了化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、金相高低倍組織觀察，以查找銑刀斷裂的真正原因。

1 試驗(yàn)設(shè)備

文中使用德國(guó)SPECTRO LAB直讀光譜儀及CS-206型紅外碳硫分析儀進(jìn)行化了學(xué)成分分析，使用HR-150A型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行了試樣硬度檢測(cè)，使用日本OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了金相組織觀察。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

斷裂對(duì)焊銑刀及斷口形貌如圖1所示，對(duì)銑刀刀體和刀柄試樣分別進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 對(duì)焊銑刀化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 斷裂對(duì)焊銑刀及斷口

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)銑刀刀體和刀柄試樣的不同部位進(jìn)行了硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 對(duì)焊銑刀各部位硬度 HRC

2.3 金相檢驗(yàn)

如圖2所示，將刀體母材和刀柄母材試樣分別經(jīng)預(yù)磨拋光并用4%硝酸酒精溶液侵蝕，放大100～500倍進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)高速鋼銑刀金相組織為回火馬氏體+碳化物，如圖2a所示。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6394—2002評(píng)定淬回火晶粒度，其級(jí)別為9.5級(jí)。按GB/T 14979—1994評(píng)定共晶碳化物不均勻度，其級(jí)別為2.5級(jí)。按GB/T 10561—2005評(píng)定非金屬夾雜，其級(jí)別為B0.5，C0.5，D1.0。結(jié)構(gòu)鋼刀柄母材試樣金相組織為珠光體+鐵素體，但在逐漸靠近焊縫的結(jié)構(gòu)鋼刀柄試樣中發(fā)現(xiàn)魏氏組織，其含量隨著向焊縫距離的靠近逐漸增多。

用同樣的方法將焊縫試樣經(jīng)過(guò)預(yù)磨拋光并侵蝕后在金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫處兩側(cè)組織界限清晰可見(jiàn)，如圖2b所示。焊縫處刀柄一側(cè)的金相組織為魏氏體+索氏體，晶粒粗大，其平均晶粒度為3.5級(jí)，組織嚴(yán)重過(guò)熱，如圖2c所示。焊縫處刀體一側(cè)的金相組織為回火馬氏體+碳化物，接近焊縫處的碳化物流線由軸向分布逐漸趨于沿徑向分布，越靠近表面越趨于明顯，焊縫刀體一側(cè)的碳化物顆粒尺寸細(xì)小，晶粒較細(xì)，其晶粒度為10.5級(jí)，如圖2d所示。

圖2 斷裂對(duì)焊銑刀金相組織

3 分析討論

由于高速工具鋼硬度高，耐磨和耐熱性能好，其強(qiáng)度和韌性在現(xiàn)有刀具材料中是較高的，因此絕大部分高速鋼用于制造刀具[1]。由于高速鋼使用的原料價(jià)格較為昂貴，在高速鋼刀具的制造中，為了節(jié)約成本，對(duì)于某些帶柄的刀具如銑刀、鉆頭等，往往采用低廉的碳鋼或低合金鋼與高速鋼焊接，再經(jīng)過(guò)各工序的加工和熱處理而得到，高速鋼的熱處理通常采用鹽浴加熱[2]。上述斷裂的銑刀即為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr與高速工具鋼M2Al采用對(duì)焊工藝制造的。

從對(duì)斷裂銑刀的化學(xué)成分分析結(jié)果得知，銑刀高速鋼刀體材質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9943—2008中W6Mo5Cr4V2Al鋼(M2Al)的要求，刀柄材質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—1999中40Cr鋼的要求。對(duì)焊接銑刀不同部位的硬度檢測(cè)結(jié)果得知，高速鋼母材硬度值達(dá)到68 HRC，這表明對(duì)焊銑刀進(jìn)行了高溫淬火和回火熱處理，其淬回火硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，焊縫處刀體一側(cè)的硬度值也達(dá)到68 HRC，與遠(yuǎn)離焊縫的高速鋼母材硬度一致，這表明焊縫處與高速鋼銑刀刀體均進(jìn)行了高溫淬火和回火熱處理。從高倍金相觀察結(jié)果得知，高速鋼銑刀的非金屬夾雜物含量及金相組織未見(jiàn)異常，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但通過(guò)對(duì)焊銑刀焊縫處的金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫處刀柄一側(cè)有大量的魏氏體組織，晶粒嚴(yán)重粗化，呈現(xiàn)出明顯的嚴(yán)重過(guò)熱特征，而焊縫處刀體一側(cè)為回火馬氏體組織，這表明焊縫兩側(cè)都經(jīng)過(guò)了高溫加熱，即對(duì)焊銑刀在最終熱處理時(shí)，淬火加熱區(qū)達(dá)到或超過(guò)焊縫部位，這從我們對(duì)銑刀刀體與焊縫處高速鋼的相同硬度檢測(cè)結(jié)果也可以得到驗(yàn)證。

眾所周知，焊接刀具的熱處理、淬火加熱部位的確定以及對(duì)焊工藝等都將影響刀具的質(zhì)量和使用壽命，焊縫位置的選擇事關(guān)重大，它是決定焊接件質(zhì)量的關(guān)鍵[3]。從對(duì)斷裂銑刀的各種檢測(cè)分析可以得知，導(dǎo)致該批對(duì)焊銑刀在焊縫附近斷裂應(yīng)有幾方面的原因，首先，銑刀在鹽浴淬火加熱時(shí)，鹽面部位達(dá)到或超過(guò)焊縫，焊縫處結(jié)構(gòu)鋼嚴(yán)重過(guò)熱，出現(xiàn)大量晶粒粗大的低強(qiáng)度高脆性魏氏組織，而高速鋼全部淬火成馬氏體組織，這種超焊縫淬火，使焊縫處高硬度高應(yīng)力的高速鋼熱影響區(qū)被重新淬火成馬氏體而產(chǎn)生更大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力[4]，而焊縫處結(jié)構(gòu)鋼部分硬度較低，經(jīng)過(guò)回火后，則高速鋼和結(jié)構(gòu)鋼的硬度差別更大，焊縫處組織結(jié)構(gòu)和硬度的突然降落，再加上熱應(yīng)力的影響，使焊縫附近的應(yīng)力分布更為復(fù)雜和不均，這種應(yīng)力峰值一般出現(xiàn)在焊縫附近的刀體一側(cè)，同時(shí)，銑刀焊縫附近刀體一側(cè)的R角更進(jìn)一步加重了這種應(yīng)力集中[5]，當(dāng)這種應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)在焊縫附近的刀體一側(cè)形成裂紋甚至開裂。因此，對(duì)焊銑刀的淬火加熱區(qū)域一般不宜超過(guò)焊縫，通常鹽浴面低于焊縫約10～15 mm，以避開焊縫附近的高速鋼熱影響區(qū)，金相組織從馬氏體過(guò)渡到屈氏體，使焊縫附近高速鋼組織和硬度分布相對(duì)均勻，梯度相對(duì)平緩，從而避免產(chǎn)生更大的應(yīng)力而形成裂紋[6]。另一方面，銑刀焊接后的冷卻方式或熱處理對(duì)銑刀的最終斷裂也有重要影響。從焊接工藝本身來(lái)講，無(wú)論采用何種焊接方式，都會(huì)有焊縫，只要有焊縫就會(huì)有熱影響區(qū)[7]。從失效銑刀的宏觀形貌可以看出，斷裂部位位于焊縫附近的高速鋼熱影響區(qū)一側(cè)。在焊接時(shí)，焊縫兩側(cè)區(qū)域被加熱到很高的溫度，空冷到室溫后形成熱影響區(qū)，高速鋼屬于萊氏體鋼，淬透性高，焊后易產(chǎn)生馬氏體組織，如果焊縫在焊后冷速過(guò)快，刀體一側(cè)的熱影響區(qū)將發(fā)生馬氏體相變而出現(xiàn)淬火硬化，特別是小規(guī)格焊接件，焊完后還未來(lái)得及投入保溫爐焊縫高速鋼便已經(jīng)空冷淬硬了，而結(jié)構(gòu)鋼刀柄和未受熱影響的高速鋼部份則為索氏體組織，形成顯著的比容差和極大的組織應(yīng)力，同時(shí)高速鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低，其膨脹系數(shù)也與結(jié)構(gòu)鋼有較大差異，在焊接冷卻過(guò)程中，焊縫兩側(cè)收縮量不同，使焊縫處于更為復(fù)雜的高應(yīng)力狀態(tài)，造成焊縫下高速鋼熱影響區(qū)的脆化[8]，為裂紋的萌生埋下很大隱患，在隨后的加工或高溫處理時(shí)焊縫刀體一側(cè)的熱影響區(qū)產(chǎn)生開裂。因此，焊完后的帶柄銑刀不宜直接空冷，應(yīng)及時(shí)保溫緩冷或者直接退火，避免馬氏體轉(zhuǎn)變，改善焊縫組織，降低高速鋼熱影響區(qū)的硬度，以避免焊縫高速鋼熱影響區(qū)在后續(xù)的最終熱處理中的二次淬火而產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋。

4 結(jié)論

(1)高速鋼銑刀及刀柄材質(zhì)符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)對(duì)焊銑刀在最終熱處理時(shí)淬火加熱區(qū)域超過(guò)焊縫部位，使焊縫附近的高速鋼熱影響區(qū)產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力是銑刀斷裂的主要原因。

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(3)對(duì)焊銑刀在焊接后未及時(shí)保溫緩冷或退火，導(dǎo)致焊縫高速鋼熱影響區(qū)脆化是銑刀斷裂的潛在誘因。