采用化學成分介于T7~T8鋼的熱軋方坯(90mm×90mm×120mm)鍛制直徑小于120mm鋼球用于球磨機,要求除表面硬度大于60HRC外,鋼球整體還應具有一定的韌性。為簡化生產工藝,提高經濟效益,采用鍛后余熱淬火熱處理。鋼球初鍛溫度為1050℃,終鍛溫度為850℃。鍛后利用鍛造余熱進行水淬,水溫40~60℃,淬火后開裂的鋼球超過50%。
1.失效分析
對料坯和開裂鋼球的斷面進行了宏觀檢驗。原材料方坯斷面平整,表現出明顯的脆斷特征。開裂鋼球的斷裂面位于鋼球的中心面上。斷面中間為木紋狀斷口,而在距鋼球表面約20mm的區(qū)域,斷口平齊,有金屬光澤,表現出晶粒粗大的脆性斷口形貌。
在掃描電鏡上對鋼球斷口形貌進行了觀察。在鋼球表面開裂區(qū)域,微觀斷口為解理斷口形貌。在距表面約20mm左右,以脆性解理斷裂為主,并伴隨有少量韌性斷裂。用線切割于另一鋼球上取樣(10mm×10mm×120mm)時,有一樣品自行斷裂。觀察發(fā)現其斷面附近有裂紋,斷口局部呈棕紅色。斷口微觀分析發(fā)現斷裂方式為沿晶斷裂,而且晶粒非常粗大,表明在鍛造加熱過程中,有些鋼球存在熱脆或過燒缺陷。
對原材料和淬火鋼球的金相組織進行了分析。原材料組織為珠光體,組織細小。淬火鋼球表面為低碳板條馬氏體,表明表面存在脫碳現象。亞表面為片狀高碳馬氏體。心部組織粗大,并有明顯的層狀特征。
2.工藝分析及改進
鋼球采用的鍛造溫度為1050℃。T7、T8鋼作為高碳鋼,其終鍛溫度可以到800℃,甚至到770℃。材料在鍛造加熱過程中可能由于加熱溫度或加熱時間控制不當,造成過熱甚至過燒現象,導致晶粒粗大,使材料塑韌性下降。其次用90mm×90mm×140mm的方坯模鍛直徑小于120mm的鋼球,材料中間部位的變形量小,再加上冷卻速度也相對較小,因此該部分晶粒粗大,導致斷裂容易在鋼球中心發(fā)生。
對于T7、T8鋼,普通的熱處理規(guī)范是鍛造冷卻后,采用球化退火預先熱處理,得到粒狀珠光體。然后加熱到790~810℃,進行水、油雙介質淬火,淬后立即回火。該廠采用鍛后余熱淬火工藝,由于未經球化退火,晶粒粗大,且有帶狀組織。此外,鍛后淬火時的入水溫度控制也不夠嚴格,容易偏高。入水溫度越高,則淬火時的溫度不均勻性越大,淬火應力越大。采用冷卻能力很強的水淬火,對于直徑達120mm的鋼球,其溫度分布極不均勻,會形成很高的組織應力。另外,由于水淬的冷卻能力強,加上鋼球內部的層狀組織也比較粗大,進一步加劇心部斷裂的可能。生產過程中對淬火件未及時回火,從而導致淬火后發(fā)生斷裂。
總之,熱處理工藝不合理,入水前預冷不充分,水介質淬火、回火不及時或根本未回火,淬火組織粗大,是形成淬火裂紋的原因。因此,對生產工藝進行了改進。通過降低淬火入水溫度,提高出水溫度,鋼球淬火開裂現象基本消除。