双金属带锯条表面裂纹分析

　摘　要：对双金属带锯条表面裂纹的形成原因进行了分析。结果表明，双金属带锯条基体表面存在着含Mg，Si，Cu和S等元素的Al2O3和Fe2O3复合氧化物夹杂组成的微凹坑，是表面裂纹形成的主要原因。

　　双金属带锯条是由高速钢和合金弹簧钢经真空电子束焊接后，再经过一系列冷、热加工工序制造的先进复合锯切下料工具。双金属带锯条是靠张紧于带锯床两个主、从动轮上，作扭转45°～90°的环行运动。在实际使用中，该双金属带锯条处于周期性的拉伸、冲击、弯曲以及扭转复杂应力状态，此外，还处于含6%HC-1锯床切削乳化剂水溶液中，服役条件恶劣，因此要求双金属带锯条的刃尖切削与耐磨性能好，基体强度与抗疲劳性能高。

　　双金属带锯条基体材料为Rm80超高强度钢。热处理是在高纯N2气氛中进行1190℃奥氏体化，在-60℃冷却箱中分级淬火，最后经510℃×2h两次回火处理和530℃×2h一次回火处理。

2　检测仪器

　　在德国NEOPHOT21显微镜上进行表面裂纹宏观观察，在POLYVAR光学显微镜及其附件Mef3显微硬度仪上进行组织观察与显微硬度测量，在日本JSM25600LV扫描电镜(SEM)及能谱仪上进行断口形貌观察与能谱分析(EDS)。

3　检测结果

3.1　常规硬度与显微组织

　　对双金属带锯条基体表面裂纹附近区域进行了硬度测定，结果为557HV，比常规生产检验结果略有提高，但仍在技术要求允许的范围内。光学显微镜下观察，其组织为回火马氏体+少量的细小碳化物颗粒，也符合技术要求，见图2。

3.2　表面裂纹宏观形貌

　　双金属带锯条基体表面裂纹宏观形貌见图1所示。从图中可以看出，裂纹基本上是沿着与双金属带锯条长度方向相垂直(略偏离垂直方向3°～5°，见图1中的位置标记1，2和3)的方向扩展，且裂纹均出现于基体表面缺陷部位。观察结果表明，已存在的表面缺陷与疲劳裂纹过早形成有着因果关系。

3.3　断口形貌与能谱分析

　　在虎钳台上沿表面裂纹扩展方向将基体垂直掰断，制取疲劳断口样品。在扫描电镜上对疲劳断口形貌特征进行了观察与分析，图3a～d为典型的断口形貌特征。从扫描电镜照片中可以看出，裂纹起源于基体表面上的圆弧状微凹坑(图3a)，微凹坑深度为0.013mm(图3b)。对微凹坑区域进一步放大(图3c)，可看出微凹坑表面形貌呈凹凸不平的丘岭状。对微凹坑表层进行能谱分析(见图3c中的标记点a和b)，分析结果见附表与图4。可见，微凹坑表层是Al，Fe，C和O元素的富集区域，此外还含有Mg，Si，Cu和S等元素，由此可推测出微凹坑表层主要是由Al2O3和Fe2O3等氧化物组成的夹杂富集区域。

　　从凹坑表层向基体内部，疲劳断口形貌特征依次可分为三个区，从微凹坑表层开始的平面无特征区(见图3a中的标记Ⅰ与图3b)，深度约0.08mm;；沿晶开裂区(见图3a中标记Ⅱ与图3b)，该区域深度约0.10mm，在该区域的后期可以看到晶界上存在腐蚀产物(见图3d)，其是切削液介质与疲劳应力同时作用下的腐蚀疲劳阶段；最后是由沿晶开裂向穿晶开裂过渡的机械疲劳扩展阶段(见图3a中的标记Ⅲ及图3d)。

4　讨论

　　双金属带锯条基体的疲劳断口形貌观察以及能谱分析结果表明，基体表面存在着含Mg，Si，Cu和S等元素的Al2O3和Fe2O3复合氧化物夹杂组成的微凹坑，是表面裂纹形成的主要原因。表面微凹坑的产生，可能是基体合金在炼钢中使用的脱氧剂、保护渣或热轧过程中产生的氧化物等夹杂残留于基体中，随后冷轧时，由于夹杂物与基体之间热膨胀系数相差较大以及界面结合力不强，导致变形不协调，结果在钢带表面产生了微凹坑缺陷。微凹坑可以看成微裂纹，可引起局部应力集中。最初，由于微裂纹尺寸小，应力强度因子K低，故微裂纹扩展缓慢。在随后的锯切中，由于应力和腐蚀介质(主要是水溶液的作用)的联合影响，裂纹在以应力腐蚀为主的、腐蚀疲劳机制协同作用下扩展，相应的断口形貌特征为沿晶开裂。随着裂纹进一步扩展，应力强度因子K也随之增大，应力腐蚀作用相对减弱，腐蚀疲劳机制占主导，相应的断口形貌特征为沿晶开裂向穿晶断裂方式的过渡。锯切试验表明，裂纹源通常萌生于基体表面，并且疲劳裂纹形核寿命约占双金属带锯条总使用寿命的55%。由此可见，基体表面质量是影响双金属带锯条使用寿命的重要因素之一。

5　结论

　　双金属带锯条基体表面存在着含Mg，Si，Cu和S等元素的Al2O3和Fe2O3复合氧化物夹杂组成的微凹坑，其是形成表面裂纹的主要原因。