分享：30CrMnSi钢筒形件旋压开裂的原因及改进措施
摘 要:一种30CrMnSi钢大型筒形件在旋压过程中发生开裂,通过宏观观察、化学成分分析、 断口分析、显微组织观察、扫描电镜和能谱分析等方法,并结合对生产过程的排查,分析了筒形件开 裂的原因。结果表明:筒形件旋压前热处理工艺不当,导致硬度、组织均不均匀,这是筒形件发生旋 压开裂的主要原因;通过改进热处理工艺,选用适用于大型工件的双向交替冷却方式,并对旋压工 艺进行改进、完善,此后的旋压件均未发生开裂,产品性能满足技术要求。
关键词:30CrMnSi钢;筒形件;旋压;断口分析
中图分类号:TG142 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)11-0075-04
大型筒形件作为某些特殊用容器的关键部件, 不能出现任何裂纹缺陷。目前,对于大直径、超长、 变壁厚的筒形件多采用旋压工艺,该方法不仅能节 约材料,还能利用加工硬化提升结构强度。但是,金 属管状材料旋压性能受材料本身组织和旋压工艺的 双重影响,任一环节存在偏差均可能使筒形件发生 开裂。
一批材料为30CrMnSiA 钢的大型筒形件在旋 压加工过程中发生开裂。笔者通过理化检验等方 法,分析了该筒形件开裂的原因,以确保产品质量和 可靠性,确保生产进度。
1 理化检验
1.1 宏观观察
旋压开裂发生在筒形件旋压的一端(见图1), 裂纹较多,裂纹相互连接形成碎块并脱落,在筒形件 上留下一些孔洞。
1.2 化学成分分析
检查该批筒形件原材料的进厂验收情况,其材 料的状态和化学成分均满足技术要求。从旋压开裂 筒形件取样进行化学成分分析,结果见表1,其化学 成分亦满足标准的技术要求。
1.3 断口分析
从筒形件断口处取样,采用扫描电镜(SEM)进 行观察。由图2可知,断口已被污染,较难找到最先 发生断裂的位置,断口可见部分球形污染物<1>或材 料自身的夹杂物。
从筒形件断口附近取样,抛光后进行表面形貌 观察。由图3可知,很多位置存在不规则形状的化 合物,这些化合物主要为含氮和钛的化合物。
1.4 显微组织观察
对断口附近和远离断口位置取样后进行显微组 织观察,如图4所示。
由图4可见:经腐蚀后断口附近的组织和远离 断口位置的组织均中存在黑色点状物,但是断口附 近的黑点更多;另外,远离断口位置的组织均匀,断 口附近的组织中存在大块岛状组织,组织不均匀。
1.5 扫描电镜和能谱分析
分别对断口附近组织中的黑色点状物和岛状组 织进行扫描电镜和能谱分析。由图5可见,黑色点 状物可能为硫化物和钛氮化合物,岛状组织主要为 硅元素的偏聚。
脆性化合物的存在会使材料的塑性变形能力降 低<2>。材料组织不均匀导致变形不均匀,容易形成 局部应力集中,加速加工过程中材料的开裂。
2 生产过程排查
该筒形件的工艺流程是:热处理毛坯加工→正 火→旋压毛坯加工→旋压→精加工→探伤。
调查时,热处理操作人员及现场技术人员反映: 该批筒形件正火后的硬度偏高,大于240HB,故进 行了第二次正火处理,第二次正火后筒形件的硬度 基本符合要求。
根据显微组织观察结果,发现组织不均匀的情 况,故判定是正火工序出现差错导致。
首先,对正火后的其他筒形件重新进行硬度检 测,结果发现:筒形件沿轴向的硬度严重不一致,一 端硬度为240HB,另一端硬度为170HB,且较硬的 一端周向硬度也存在不一致的情况,个别位置处的 硬度达300HB。
通过对筒形件热处理设备进行调查和检查发 现,前期该设备进行了维修,其炉内气体的冷却方式 选取了适用于中型件和小型件的单向冷却方式,但这种方式不利于大型筒形件的冷却,导致大型筒形 件正火冷却时一端冷速偏快,另一端冷速则较慢,正 火后两端硬度差别较大。筒形件旋压时,硬度较高 的一端容易开裂。另外,该批筒形件旋压开裂数量 约占已旋压数量的65%,均为严重开裂,生产暂停。
3 分析与讨论
3.1 筒形件旋压开裂的原因
从理化检验、排查结果综合分析得出:大型筒形 件的冷却方式选取不当,筒形件冷却不均,导致其硬 度不均,出现了富硅的岛状偏析区,这是筒形件旋压 塑性变形不均甚至开裂的主要原因;该批筒形件冶 炼后残存较多诸如硫化物、氮化钛等夹杂物,造成局 部应力集中,形成开裂源,这是影响筒形件的塑性变 形能力,造成其开裂的次要原因。
3.2 对策及实施效果
针对筒形件开裂的原因,改进了筒形件旋压前的 热处理工艺,选取适用于大型工件的双向交替冷却方式及工艺参数,对旋压工艺也进行了改进、完善。然 后,将该批剩余原材料重新进行试生产。经生产验证: 改进工艺后大型筒形件的变形量、探伤结果、水压试验 强度等均满足产品技术要求,没有出现旋压开裂、水压 试验开裂的情况。产品正式恢复生产后,质量稳定,这 表明开裂原因分析准确,改进措施实施有效。
4 结论
(1)该批大型筒形件旋压开裂的主要原因是热 处理时冷却方式选取不当,导致组织不均匀,硬度不 均匀。另外,原材料中存在脆性化合物,导致材料塑 性变形能力降低也是发生开裂的次要原因。
(2)改进热处理工艺,选用适用于大型工件的 双向交替冷却方式,并对旋压工艺进行改进、完善后 旋压件均未发生开裂,产品性能满足技术要求。
参考文献:
<1> 刘正义.机械装置失效分析图谱
<2> 胡世炎.机械失效分析手册
<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:75-78)>