H13鋼模坯開裂分析

真空材料 顧艷 寶鋼股份特殊鋼分公司

  通過電鏡、能譜分析、金相分析等手段對H13鋼制風機葉輪模坯開裂進行了綜合分析。由裂紋形態及表層氧化覆蓋物形態及裂紋兩側增碳現象可以推斷,開裂發生在最終熱處理之前;由裂紋所處部位及形態可推斷,開裂發生在終鍛之后,與終鍛溫度過低或鍛造冷卻速度控制不當有關。

  風機葉輪用模坯, 外徑<145mm, 內徑<80mm,厚40mm,材質為H13鋼。加工工藝:由<130mm的棒料模鍛成型→粗加工→熱處理(淬火、回火) 。該模坯宏觀形貌見圖1(a)所示,近外圓處有一臺階,熱處理后發現在臺階交界區有開裂現象。

1、宏觀檢測

  在近臺階開裂區域徑向取樣,可見近臺階交界區的表面裂紋,沿周向曲折分布,有黃褐色孔洞,似與高溫氧化有關。在徑向截面上,可見裂紋起始于臺階交界處,向內斜向曲折擴展,深約4mm,見圖1(b)。

  裂紋的裂面形貌如圖1 ( c)所示,右側為臺階外表面,左側為切割面。中間區域為斷裂面,包括原裂面和人為的新裂面,界線分明。右側為原裂面,深褐色,局部可見有暗紅色銹斑,裂面圓渾,起伏較大;左側為人為的新裂面。

模坯的宏觀外形

圖1  模坯的宏觀外形(a) 、裂紋形貌(b)及斷口的宏觀形貌(c)

2、理化檢測

2.1、化學分析

  在輪盤心部區域取樣進行化學成分分析,結果見表1,材質符合H13鋼的相關技術要求。

表1 模坯的化學成分(質量分數,% )

模坯的化學成分

2.2、掃描電鏡及X射線能譜分析

  裂面的低倍形貌見圖2,下側裂面為原裂面,層狀起伏,由外表面向上推進,裂面圓渾,表面布有覆蓋物。上側為新裂面區域。

裂面低倍形貌

圖2 裂面低倍形貌

  裂面表層覆蓋物形貌見圖3所示,呈大塊團狀、流變形分布。

原裂面表層氧化覆蓋物形貌

圖3 原裂面表層氧化覆蓋物形貌

  新老裂面交界處形貌見圖4所示。圖中下側為原裂面,表面布滿大塊狀覆蓋物,有的呈白色大塊狀,表面圓滑,有的顏色較深,自由表面布滿結晶狀推進條紋,如圖中箭頭1、箭頭2所指。對箭頭1所指的覆蓋物進行X射線能譜分析,可見C、O、Fe峰線,表明為氧化物,能譜曲線如圖5所示。

 

2.3、金相分析

  徑向截面上裂紋及附近低倍組織的形貌,可見沿模坯外表輪廓有深色增碳現象,增碳層深約0.5mm;次表層有淺色貧碳現象,且貧碳層沿外周不均勻,可能與車加工量不同有關。裂紋由臺階交界處起始向內斜向擴展。裂紋開口較寬,邊緣圓滑,兩側有氧化現象。裂紋尾端圓渾,前端有一細裂紋,裂縫內充滿氧化物,并可見氧化物沿裂紋前端的細裂紋擴展;裂紋兩側有增碳現象,增碳層深約0.3mm,模坯基體組織為索氏體。

3、硬度測定

  在徑向截面上對有關區域測定維氏硬度,結果見表2。

  由表2可知,表層及裂紋兩側硬度較心部硬度高,而次表層硬度較心部硬度低,系該模坯表層及裂紋兩側增碳、次表層脫碳所致。

4、分析與討論

  (1)風機葉輪模坯材質成分符合H13鋼相關標準的要求,開裂兩側區域未見有明顯的冶金缺陷。

  (2)輪坯鍛后外表面有貧碳現象,而在熱處理過程中有增碳現象。

  (3)由裂紋的形態、裂面氧化覆蓋物形態,尤其圓渾的尾端及氧化推進形貌可推斷,裂面經高溫氧化且氧化腐蝕擴展;同時,由裂面表層的增碳現象可進一步推斷,開裂發生在最終熱處理之前。

  (4)由開裂所處部位及形態可推斷,開裂的發生與臺階轉角的應力集中有關,即開裂發生在終鍛之后。

5、結論

  模坯的開裂發生在最終熱處理之前,可能與終鍛溫度過低或鍛后冷卻速度控制不當有關。