H13钢模坯开裂分析
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。
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,% )
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。
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。
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。