30CrMnSi鋼筒形件旋壓開裂的原因及改進(jìn)措施

肖乾發(fā), 梁霄鵬, 姚春臣, 許曉波, 羅青云, 丁 洵, 李 耀

(1.江南工業(yè)集團(tuán)有限公司, 湘潭 411207；2.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 長沙 410083)

大型筒形件作為某些特殊用容器的關(guān)鍵部件，不能出現(xiàn)任何裂紋缺陷。目前，對于大直徑、超長、變壁厚的筒形件多采用旋壓工藝，該方法不僅能節(jié)約材料，還能利用加工硬化提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是，金屬管狀材料旋壓性能受材料本身組織和旋壓工藝的雙重影響，任一環(huán)節(jié)存在偏差均可能使筒形件發(fā)生開裂。

一批材料為30CrMnSiA鋼的大型筒形件在旋壓加工過程中發(fā)生開裂。筆者通過理化檢驗等方法，分析了該筒形件開裂的原因，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，確保生產(chǎn)進(jìn)度。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

旋壓開裂發(fā)生在筒形件旋壓的一端(見圖1)，裂紋較多，裂紋相互連接形成碎塊并脫落，在筒形件上留下一些孔洞。

圖1 旋壓開裂筒形件的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of spinning cracking cylindrical part

1.2 化學(xué)成分分析

檢查該批筒形件原材料的進(jìn)廠驗收情況，其材料的狀態(tài)和化學(xué)成分均滿足技術(shù)要求。從旋壓開裂筒形件取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，其化學(xué)成分亦滿足標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

表1 旋壓開裂筒形件的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of spinning cracking of cylindrical part

1.3 斷口分析

從筒形件斷口處取樣，采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察。由圖2可知，斷口已被污染，較難找到最先發(fā)生斷裂的位置，斷口可見部分球形污染物[1]或材料自身的夾雜物。

圖2 旋壓開裂筒形件的斷口微觀形貌Fig.2 Fracture micro morphology of spinning cracking cylindrical part

從筒形件斷口附近取樣，拋光后進(jìn)行表面形貌觀察。由圖3可知，很多位置存在不規(guī)則形狀的化合物,這些化合物主要為含氮和鈦的化合物。

圖3 筒形件斷口附近化合物的SEM形貌和EDS分析結(jié)果Fig.3 SEM morphology and EDS analysis results of compoundsnear the fracture of cylindrical part

1.4 顯微組織觀察

對斷口附近和遠(yuǎn)離斷口位置取樣后進(jìn)行顯微組織觀察，如圖4所示。

圖4 筒形件斷口附近和遠(yuǎn)離斷口位置的顯微組織Fig.4 Microstructure near and far away from fracture of cylindrical part: a) near fracture, low magnification;b) near fracture, high magnification; c) far away from fracture, low magnification; d) far away from fracture, high magnification

由圖4可見:經(jīng)腐蝕后斷口附近的組織和遠(yuǎn)離斷口位置的組織均中存在黑色點狀物，但是斷口附近的黑點更多;另外，遠(yuǎn)離斷口位置的組織均勻，斷口附近的組織中存在大塊島狀組織，組織不均勻。

1.5 掃描電鏡和能譜分析

分別對斷口附近組織中的黑色點狀物和島狀組織進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析。由圖5可見，黑色點狀物可能為硫化物和鈦氮化合物，島狀組織主要為硅元素的偏聚。

圖5 斷口附近黑色點狀物和島狀組織的SEM形貌和EDS分析結(jié)果Fig.4 SEM morphology and EDS analysis results of black dots and island-like structure near fracture:a) SEM morphology of black dots 1; b) SEM morphology of black dots 2; c) SEM morphology of island-like structure;d) EDS analysis results of black dots 1; e) EDS analysis results of black dots 2; f) EDS analysis resutls of island-like structure

脆性化合物的存在會使材料的塑性變形能力降低[2]。材料組織不均勻?qū)е伦冃尾痪鶆?，容易形成局部?yīng)力集中，加速加工過程中材料的開裂。

2 生產(chǎn)過程排查

該筒形件的工藝流程是：熱處理毛坯加工→正火→旋壓毛坯加工→旋壓→精加工→探傷。

調(diào)查時，熱處理操作人員及現(xiàn)場技術(shù)人員反映：該批筒形件正火后的硬度偏高，大于240 HB，故進(jìn)行了第二次正火處理，第二次正火后筒形件的硬度基本符合要求。

根據(jù)顯微組織觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)組織不均勻的情況，故判定是正火工序出現(xiàn)差錯導(dǎo)致。

首先，對正火后的其他筒形件重新進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：筒形件沿軸向的硬度嚴(yán)重不一致，一端硬度為240 HB，另一端硬度為170 HB，且較硬的一端周向硬度也存在不一致的情況，個別位置處的硬度達(dá)300 HB。

通過對筒形件熱處理設(shè)備進(jìn)行調(diào)查和檢查發(fā)現(xiàn)，前期該設(shè)備進(jìn)行了維修，其爐內(nèi)氣體的冷卻方式選取了適用于中型件和小型件的單向冷卻方式，但這種方式不利于大型筒形件的冷卻，導(dǎo)致大型筒形件正火冷卻時一端冷速偏快，另一端冷速則較慢，正火后兩端硬度差別較大。筒形件旋壓時，硬度較高的一端容易開裂。另外，該批筒形件旋壓開裂數(shù)量約占已旋壓數(shù)量的65%，均為嚴(yán)重開裂，生產(chǎn)暫停。

3 分析與討論

3.1 筒形件旋壓開裂的原因

從理化檢驗、排查結(jié)果綜合分析得出：大型筒形件的冷卻方式選取不當(dāng)，筒形件冷卻不均，導(dǎo)致其硬度不均，出現(xiàn)了富硅的島狀偏析區(qū)，這是筒形件旋壓塑性變形不均甚至開裂的主要原因；該批筒形件冶煉后殘存較多諸如硫化物、氮化鈦等夾雜物，造成局部應(yīng)力集中，形成開裂源，這是影響筒形件的塑性變形能力，造成其開裂的次要原因。

3.2 對策及實施效果

針對筒形件開裂的原因，改進(jìn)了筒形件旋壓前的熱處理工藝，選取適用于大型工件的雙向交替冷卻方式及工藝參數(shù)，對旋壓工藝也進(jìn)行了改進(jìn)、完善。然后，將該批剩余原材料重新進(jìn)行試生產(chǎn)。經(jīng)生產(chǎn)驗證：改進(jìn)工藝后大型筒形件的變形量、探傷結(jié)果、水壓試驗強(qiáng)度等均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，沒有出現(xiàn)旋壓開裂、水壓試驗開裂的情況。產(chǎn)品正式恢復(fù)生產(chǎn)后，質(zhì)量穩(wěn)定，這表明開裂原因分析準(zhǔn)確，改進(jìn)措施實施有效。

4 結(jié)論

(1) 該批大型筒形件旋壓開裂的主要原因是熱處理時冷卻方式選取不當(dāng)，導(dǎo)致組織不均勻，硬度不均勻。另外，原材料中存在脆性化合物，導(dǎo)致材料塑性變形能力降低也是發(fā)生開裂的次要原因。

(2) 改進(jìn)熱處理工藝，選用適用于大型工件的雙向交替冷卻方式，并對旋壓工藝進(jìn)行改進(jìn)、完善后旋壓件均未發(fā)生開裂，產(chǎn)品性能滿足技術(shù)要求。