H13钢模坯开裂分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)宝钢股份特殊钢分公司 作者:顾艳

  通过电镜、能谱分析、金相分析等手段对H13钢制风机叶轮模坯开裂进行了综合分析。由裂纹形态及表层氧化覆盖物形态及裂纹两侧增碳现象可以推断,开裂发生在最终热处理之前;由裂纹所处部位及形态可推断,开裂发生在终锻之后,与终锻温度过低或锻造冷却速度控制不当有关。

  风机叶轮用模坯, 外径<145mm, 内径<80mm,厚40mm,材质为H13钢。加工工艺:由<130mm的棒料模锻成型→粗加工→热处理(淬火、回火) 。该模坯宏观形貌见图1(a)所示,近外圆处有一台阶,热处理后发现在台阶交界区有开裂现象。

1、宏观检测

  在近台阶开裂区域径向取样,可见近台阶交界区的表面裂纹,沿周向曲折分布,有黄褐色孔洞,似与高温氧化有关。在径向截面上,可见裂纹起始于台阶交界处,向内斜向曲折扩展,深约4mm,见图1(b)。

  裂纹的裂面形貌如图1 ( c)所示,右侧为台阶外表面,左侧为切割面。中间区域为断裂面,包括原裂面和人为的新裂面,界线分明。右侧为原裂面,深褐色,局部可见有暗红色锈斑,裂面圆浑,起伏较大;左侧为人为的新裂面。

模坯的宏观外形

图1  模坯的宏观外形(a) 、裂纹形貌(b)及断口的宏观形貌(c)

2、理化检测

2.1、化学分析

  在轮盘心部区域取样进行化学成分分析,结果见表1,材质符合H13钢的相关技术要求。

表1 模坯的化学成分(质量分数,% )

模坯的化学成分

2.2、扫描电镜及X射线能谱分析

  裂面的低倍形貌见图2,下侧裂面为原裂面,层状起伏,由外表面向上推进,裂面圆浑,表面布有覆盖物。上侧为新裂面区域。

裂面低倍形貌

图2 裂面低倍形貌

  裂面表层覆盖物形貌见图3所示,呈大块团状、流变形分布。

原裂面表层氧化覆盖物形貌

图3 原裂面表层氧化覆盖物形貌

  新老裂面交界处形貌见图4所示。图中下侧为原裂面,表面布满大块状覆盖物,有的呈白色大块状,表面圆滑,有的颜色较深,自由表面布满结晶状推进条纹,如图中箭头1、箭头2所指。对箭头1所指的覆盖物进行X射线能谱分析,可见C、O、Fe峰线,表明为氧化物,能谱曲线如图5所示。

 

2.3、金相分析

  径向截面上裂纹及附近低倍组织的形貌,可见沿模坯外表轮廓有深色增碳现象,增碳层深约0.5mm;次表层有浅色贫碳现象,且贫碳层沿外周不均匀,可能与车加工量不同有关。裂纹由台阶交界处起始向内斜向扩展。裂纹开口较宽,边缘圆滑,两侧有氧化现象。裂纹尾端圆浑,前端有一细裂纹,裂缝内充满氧化物,并可见氧化物沿裂纹前端的细裂纹扩展;裂纹两侧有增碳现象,增碳层深约0.3mm,模坯基体组织为索氏体。

3、硬度测定

  在径向截面上对有关区域测定维氏硬度,结果见表2。

  由表2可知,表层及裂纹两侧硬度较心部硬度高,而次表层硬度较心部硬度低,系该模坯表层及裂纹两侧增碳、次表层脱碳所致。

4、分析与讨论

  (1)风机叶轮模坯材质成分符合H13钢相关标准的要求,开裂两侧区域未见有明显的冶金缺陷。

  (2)轮坯锻后外表面有贫碳现象,而在热处理过程中有增碳现象。

  (3)由裂纹的形态、裂面氧化覆盖物形态,尤其圆浑的尾端及氧化推进形貌可推断,裂面经高温氧化且氧化腐蚀扩展;同时,由裂面表层的增碳现象可进一步推断,开裂发生在最终热处理之前。

  (4)由开裂所处部位及形态可推断,开裂的发生与台阶转角的应力集中有关,即开裂发生在终锻之后。

5、结论

  模坯的开裂发生在最终热处理之前,可能与终锻温度过低或锻后冷却速度控制不当有关。

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