27simn無(wú)縫鋼管材料在淬火狀態(tài)下,鐵素體組織存在的形式一般有兩種:

第一種形式,亞溫狀態(tài)下淬火或正常溫度淬火但保溫時(shí)間很短時(shí),鐵素體組織由于未完全轉(zhuǎn)變成奧氏體或者來(lái)不及轉(zhuǎn)變而在隨后的淬火冷卻中而保留下來(lái),其形態(tài)在晶界或晶粒內(nèi)部呈塊狀或半月牙狀;第二種形式,正常溫度淬火,但冷卻時(shí)由于高溫冷速緩慢,鐵素體組織會(huì)優(yōu)先在晶界呈網(wǎng)狀析出。

鐵素體組織在基體組織中存在形式的不同對(duì)材料的性能有很大影響,第一種形式,鐵素體組織由于未完全奧氏體化而在基體組織中的晶界或晶粒內(nèi)部呈塊狀或半月牙狀分布,一般來(lái)說(shuō),對(duì)于緩解淬火應(yīng)力、減少淬火裂紋、改善低溫脆性具有較好的效果,原因在于馬氏體相變時(shí)所產(chǎn)生的組織應(yīng)力和相變應(yīng)力會(huì)由于鐵素體組織的良好塑形得到很大程度緩解,加之鐵素體組織呈塊狀或半月牙狀分布于晶界上,可溶解較多的S、P等痕跡元素,對(duì)于消除可逆回火脆性、改善鋼的冷脆性有明顯效果。

第二種形式,鐵素體組織由于在淬火過程中高溫冷速過緩,造成鐵素體組織率先呈網(wǎng)狀沿晶界析出分布,此種組織形態(tài)對(duì)于鋼的機(jī)械性能影響很大,會(huì)大大降低材料的沖擊韌性、提高淬火裂紋的發(fā)生概率。原因在于鐵素體組織呈網(wǎng)狀分布于晶界,由于鐵素體組織強(qiáng)度低,可固溶較多的痕跡元素,大大弱化了晶界強(qiáng)度,降低沖擊韌性,淬火時(shí)一旦材料的組織應(yīng)力和相變應(yīng)力過大,裂紋將優(yōu)先在網(wǎng)狀鐵素體所在的晶界形核,并沿晶界蜿蜒開裂,造成質(zhì)量事故。

本文中,淬裂的零件的裂紋部位均出現(xiàn)在內(nèi)孔處。從淬裂零件的金相組織可以明顯地觀察到,其存在數(shù)量較多的網(wǎng)狀鐵素體組織,且裂紋沿晶界曲折蜿蜒裂開,這說(shuō)明零件在淬火冷卻過程中出了問題。從上面的理化檢測(cè)可以看出,27SiMn鋼的合金元素,尤其是碳含量偏上限,因此淬透性較好;一般情況下,27SiMn鋼的臨界直徑,在20℃靜水中可達(dá)38mm,而零件的有效厚度為13mm,因此在正常狀態(tài)下,零件在水中能夠完全淬透,熱處理后的正常金相組織應(yīng)為回火索氏體組織,但是從圖2和圖3的金相組織觀察來(lái)看,組織中出現(xiàn)數(shù)量較多的網(wǎng)狀鐵素體組織及少量的上貝氏體組織,這是不正常的。

零件的淬火介質(zhì)為循環(huán)自來(lái)水。水的冷卻性能對(duì)溫度非常敏感,水溫高于40℃時(shí),冷卻性能會(huì)大幅下降,其在高溫區(qū)(500～700℃)的冷卻能力急劇下降,而在低溫馬氏體相變區(qū)(200～350℃)的低溫冷卻能力下降較少,這一點(diǎn)可以從圖4中看出。這樣極易造成的后果是:零件在高溫區(qū)冷卻緩慢,導(dǎo)致奧氏體組織首先轉(zhuǎn)化成鐵素體組織并呈網(wǎng)狀分布在晶界上,弱化晶界;而在低溫區(qū)冷速過快,奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體組織,組織應(yīng)力過大。筆者通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查走訪,鹽浴爐的控溫系統(tǒng)正常,熱電偶檢測(cè)精度合格,但發(fā)現(xiàn)零件在熱處理過程中存在3個(gè)問題:第一、淬火水槽節(jié)門損壞,淬火水槽的循環(huán)水更換不暢;第二、鹽浴爐主電極的流動(dòng)冷卻水(水溫較高)直接流到淬火水槽中,造成淬火水槽的水溫較高;第三、零件在實(shí)際淬火時(shí),每爐淬火間隔的時(shí)間較短,且水槽容積較小,水槽里自來(lái)水的更新速度不及時(shí)。以上三個(gè)因素導(dǎo)致零件在淬火時(shí)水溫過高,根據(jù)調(diào)查推斷水溫可在50～60℃。由此可以判斷得出,水溫過高導(dǎo)致水在零件高溫區(qū)的冷卻性能大幅下降,零件淬火后,鐵素體組織呈網(wǎng)狀在晶界上分布,造成晶界強(qiáng)度急劇下降,而低溫冷卻性能卻變化不大,導(dǎo)致在低溫區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)冷速過快,拉應(yīng)力過大,裂紋沿晶界開裂。

另外,零件的形狀及淬火方式對(duì)材料產(chǎn)生裂紋也起到了一定的作用。零件形狀較為復(fù)雜,其采用鹽浴爐加熱,淬火夾具從內(nèi)孔處穿過,零件呈豎排狀裝夾,如圖5所示。每一夾具裝卡零件的數(shù)量較多,夾具較長(zhǎng),采用行車淬火時(shí),由于行車速度限制,零件淬火時(shí)夾具入水較慢,使得零件之間及單個(gè)零件不同部位的冷卻速度不同;同時(shí),由于淬火夾具從零件的內(nèi)孔處穿過,致使內(nèi)孔流水不暢(零件的內(nèi)孔直徑為16mm),造成內(nèi)孔冷速緩慢;還有,如圖5所示,零件入水時(shí),位置1首先冷卻,而位置2由于其凹處兜空氣,使得此處及其位置3處的內(nèi)孔冷卻更慢。內(nèi)孔冷卻緩慢會(huì)導(dǎo)致其部位更容易析出網(wǎng)住鐵素體組織,弱化晶界,還使其在高溫區(qū)冷卻產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力值相對(duì)較小,而在低溫的馬氏體相變區(qū)域內(nèi)冷卻產(chǎn)生的組織應(yīng)力很大,兩者疊加會(huì)造成內(nèi)孔表面呈現(xiàn)很大的拉應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)拉應(yīng)力值超過其抗拉強(qiáng)度,會(huì)在內(nèi)孔處造成裂紋。

3.結(jié)論及改進(jìn)措施(1)零件的形狀及其淬火方式導(dǎo)致其內(nèi)孔冷速緩慢,在內(nèi)孔處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

(2)零件在淬火過程中,由于淬火水槽節(jié)門損壞等原因,造成流水不暢,水溫升高,使水的冷卻性能大幅下降,鐵素體組織呈網(wǎng)狀分布于晶界上,造成晶界強(qiáng)度急劇下降,在殘余拉應(yīng)力作用下,裂紋沿晶斷裂。

為了驗(yàn)證上述判斷,筆者將水槽節(jié)門修好,在零件(同一批材料)下一批次試生產(chǎn)中,將淬火水溫控制在30℃以內(nèi),并加大攪拌力度,結(jié)果零件淬裂率大大降低,低于1‰,驗(yàn)證了上述判斷的正確性。