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双金属带锯条表面裂纹分析

作者:admin  来源:本站  发表时间:2017-12-4 12:31:44  点击:280

 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。

1 简介

  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。

  今年,双金属带锯条曾发生小批量质量问题,即在基体表面过早地出现疲劳裂纹,见图1。为此,对双金属带锯条基体表面裂纹的形成原因进行了检测分析。
图1 双金属带锯条表面裂纹形貌 图2 双金属带锯条基体显微组织
  500×4%硝酸酒精溶液侵蚀

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。

(a)150× (b)500×
(c)1500× (d)1600×
图3 疲劳断口形貌SEM
图4 能谱分析

  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。

 
 
 
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