高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析

　　摘　要：T7-T8钢的热轧方坯模锻制的Ø120mm耐磨钢球经锻后余热淬火，多数钢球开裂。对断口和材料组织形貌分析后，发现热处理工艺不合理造成的淬火应力大及组织粗大是导致钢球开裂的主要原因。
　　关键词：高碳马氏体钢球；锻件余热淬火；淬火裂纹
　　某企业采用化学成分介于T7-T8钢的热轧方坯（90mm x90mm×120mm）锻制Ø120mm钢球。该钢球用于球磨机，要求除表面硬度大于60HRC外，钢球整体还应具有一定的韧性。为简化生产工艺，提高经济效益，该厂采用锻后余热淬火。钢球初锻温度为1050℃，终锻温度为850℃。锻后利用锻造余热进行水淬，水温40～60℃，淬火后开裂钢球超过50％。为揭示钢球开裂原因，降低废品率，本文对钢球材料的成分、组织、断口形貌及工艺进行了综合分析。
　　1　失效分析
　　1.1 钢球材料成分分析
　　对该批钢坯进行分析，化学成分见表1所示。
　　分析表明，此材料成分介于T7和T8之间，P、S含量较高，基本符合原材料供货要求。
　　1.2 宏观断口分析
　　对料坯和开裂钢球的断面进行了宏观检验。原材料方坯断面平整，表现出明显的脆断特征，表明该材料本身的塑韧性就不是很高。开裂钢球的断裂面位于钢球中心面上，其宏观形貌见图1。
　　从图1可以看出，在钢球中心线上裂纹线条平直，朝图示上下两个方向裂纹线呈弧状。断面中间为木纹状断口，而在距钢球表面约20mm的区域，断口平齐，有金属光泽，表现出晶粒粗大的脆性断口形貌。以上观察表明裂纹起源于钢球中间。
　　1.3 微观断口分析
　　在扫描电镜上对钢球断口形貌进行了观察。试样1取自开裂钢球断口表面。试样2是用线切割于钢球上取样时，样品自行断裂所得到的断口。在开裂钢球表面区域，微观断口为解理断口形貌，见图2a。在距表面约20mm左右，以脆性解理断裂为主，并伴随有少量韧性断裂，见图2b。用线切割于另一钢球上取样（10mm x10mm×120mm）时，有一样品自行断裂。观察发现其断面附近有裂纹，断口局部呈棕红色。断口微观分析发现断裂方式为沿晶断裂，而且晶粒非常粗大，见图2c，表明在锻造加热过程中，有些钢球存在热脆或过烧缺陷。
　　2　金相组织分析
　　对原材料和淬火钢球的会相组织进行了分析。从图3可以看出，原材料组织为珠光体，组织细小。
　　淬火钢球表而为低碳板条马氏体，表明表面存在脱碳现象。亚表面为片状高碳马氏体，见图4a。心部组织粗大，并有明显的层状特征，见图4b。该层状组织与压力加工过程中元素的偏析有关，组织组成为片状马氏体加珠光体（索氏体/屈氏体），见图4c。随着深度增加，马氏体比例逐渐下降。
　　3　工艺分析
　　3.1 锻造工艺分析
　　该钢球采用的锻造温度为1050-850℃。T7-T8钢作为高碳钢，其终锻温度可以到800℃，甚至到770℃。试样2存在的热裂现象表明，材料在锻造加热过程中可能由于加热温度或加热时间控制不当，造成过热甚至过烧现象，导致晶粒粗大，使材料塑韧性下降。其次用90mm×90mm×140mm的方坯模锻直径Ø120mm的钢球，材料中间部位的变形量小，再加上冷却速度也相对较小，因此该部分的再结晶晶粒粗大，导致断裂容易在钢球中心发生。
　　3.2 热处理工艺分析
　　对于T7-T8钢，普通的热处理规范是锻造冷却后，采用球化退火预先热处理，得到粒状珠光体。然后加热到790-810℃，进行水-油双介质淬火，淬后立即回火。该厂采用锻后余热淬火工艺，由于未经历球化退火，晶粒粗大，且有带状组织（见图4b、c），淬火马氏体中的含碳镀很高。此外，锻后淬火时的入水温度控制也不够严格，容易偏高。入水温度越高，则淬火时的温度不均匀性越高，淬火应力越大。
　　淬火时会形成热应力和组织应力，而且组织应力常常占主导。采用冷却能力很强的水淬火，对于直径达120mm的钢球，其温度分布极不均匀，会形成很高的组织应力。其组织应力分布为淬硬区压应力，内部拉应力。断口分析表明内部的拉应力是导致钢球断裂的主要原因。
　　另外，由于水淬的冷却能力强，加上钢球内部的层状组织也比较粗大，因此在接近心部处还有淬硬相存在，导致心部的韧性差，进一步加剧心部断裂的可能。
　　生产过程中对淬火件未及时回火，巨大的淬火应力由于没有得到消除，从而导致淬火后发生断裂。
　　4　结论
　　以上分析表明，钢球开裂与原材料关系不大，热处理工艺不合理造成钢球淬火应力大，钢球韧性差，是形成断裂的主要原因。具体有以下几个因素：
　　（1）锻造组织，特别是心部层状组织粗大。这一现象与锻造比较小、锻造温度和加热工艺控制不严格有关。
　　（2）淬火组织粗大，马氏体含碳量高，这主要与淬火前未经球化退火有关。
　　（3）淬火应力大，可能的影响因素包括：入水前预冷不充分；水单介质淬火；回火不及时或根本未回火。
　　根据失效分析结论，对生产工艺进行了改进。仅通过降低淬火入水温度，提高出水温度，钢球淬火开裂现象基本消除。
　　参考文献：
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　　[2]吕焱.锻造工艺学[M]北京:机械工业出版社,1995.
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