矯直輥裂紋分析和工藝改進

許海勇

（太原重型機械集團公司， 山西 太原 030024）

引言

某公司生產的矯直輥材質為X40CrMoV5-1，外形尺寸：Φ285 mm×4 780 mm。技術要求為：輥身表面淬火，硬度（HRC）54～56，淬硬層深度12～16 mm，磨削后進行磁粉探傷。主要生產工序為：鍛造毛坯、粗加工、調質熱處理、半精加工、表淬、精加工（包括外圓磨削）。該矯直輥在使用1 a后出現輥身開裂現象，為確定開裂性質及其產生的原因，特解剖取樣，做全面系統的試驗分析，并通過改進工藝控制手段，從而杜絕該類問題的發生。

1 試驗分析

1.1 裂紋宏觀形貌分析

1.1.1 現場分析及解剖

失效矯直輥輥身發現有兩條縱向裂紋，兩條裂紋在圓周方向大致呈180°分布，一端縱向裂紋已穿過輥身臺階向輥徑延伸約200 mm，另一端裂紋長度達輥身約4/5處，裂紋總長約2 800 mm，裂紋中部較粗直部分區域有少量掉塊（詳見圖1—圖3）。

圖1 矯直輥縱向裂紋宏觀形貌

圖2 矯直輥剖開裂紋斷口宏觀形貌

圖3 矯直輥中部縱向裂紋宏觀形貌

1.1.2 宏觀斷口分析及解剖取樣

輥身沿裂紋尾部剖開形成兩半斷口，輥身縱向裂紋已貫通整個截面，兩條縱向裂紋斷口基本在一個平面上，相對應兩斷口面具有同樣匹配形貌，整個斷口面都有嚴重銹蝕，在兩條裂紋對應的部位內表面處都發現有半圓月牙區形貌明顯異于基體，端口呈現的脆性，根據宏觀分析情況制定全面解剖取樣方案，截取截面斷口、縱向、橫向低倍、高倍、化學、力學、微觀斷口試樣，進一步進行試驗分析。

1.2 化學成分檢測試驗

做基體化學成分及氣體含量試驗分析，試驗結果表明：基體材料中化學成分各元素均在X40CrMoV5-1標準要求范圍內，合格。N、O、H氣體含量較高：w（N）高達284×10-6（要求值≤150×10-6），w（H）在經歷了熱加工及全部熱處理及使用后還有1.33×10-6（要求值≤2×10-6）的含量也相對較高，w（O）為39×10-6（要求值≤30×10-6）。

1.3 力學性能檢驗試驗

在工件端部規定位置做力學性能檢驗，上屈服強度ReH=809 MPa，抗拉強度Rm=101 8 MPa，斷后伸長率A=15.5%，基體硬度（HB）為 306，表面硬度（HRC） 為 54.7、54.9 （要求值：ReH≥850 MPa，Rm=900～1 050 MPa，A≥17%，基體硬度（HB）為300～350，表面硬度（HRC）為54～56。試驗結果表明：工件基體截面硬度符合要求，淬硬層表面硬度在標準范圍，室溫拉伸試驗抗拉強度達到標準要求，但屈服強度和延伸率低于標準要求，說明塑性韌性指標不符合要求，不合格。

1.4 低倍試驗分析

試驗結果表明：輥身各截面整體致密度較好，合格，試面上1/2R以內區域枝晶偏析，表面淬硬層深約25 mm，遠遠超技術要求淬硬層深度范圍；在裂紋源對應的試面上一端淬硬層表面區有兩條裂紋，內孔有多條徑向小裂紋。

做裂源區部分縱向截面低倍熱酸浸試驗結果表明，試面整體致密性較好，在試面上1/2R以內區域有枝晶偏析，表面淬硬層較深過渡區較寬，未發現其他肉眼可見不允許存在的缺陷。

1.5 顯微組織分析

在輥身不同部位由表面至內壁做非金屬夾雜、晶粒度、顯微組織檢測，結果表明鋼中純凈度合格，晶粒度、顯微組織也符合要求。

裂源區斷口旁顯微組織分析表明，主裂紋淬硬層斷口旁平直，中部過渡區為鋸齒狀，棱角有支裂紋，平行細小裂紋，下部裂源區斷口旁較平直，內表面有徑向裂紋，裂紋斷口旁組織無脫碳無變化，組織為粗大針馬氏體+大量殘留奧氏體，嚴重帶狀偏析。說明基體組織為高溫淬火組織，內部存在多條裂紋具有氫致白點裂紋微觀形貌。

1.6 掃描電鏡斷口微區分析

主斷口裂源區分析表明，半圓形月牙區較為平坦但有較明顯的氧化，平坦裂紋源區微觀形貌與基體有凸起的長弧形韌窩帶過渡區圍繞，內部微觀形貌主要為解理平面+條束狀及碎條狀花樣、呈河流花樣的解理臺階以及快速擴張的波紋，屬于氫致脆性開裂典型微觀形貌?；⌒雾g窩帶之外大部分基體斷口為粗大的解理河流花樣，伴有嚴重氧化銹蝕，期間還發現有部分區域有較多的近似圓形、橢圓形凹凸區域，微觀形貌為解理平面、解理扇形、錯落的解理臺階組成，呈現較強脆性特征，裂紋擴張至表面淬硬層區微觀形貌為解理臺階+韌窩，外表面區有約5 mm磨光帶微觀呈磨光平面+細條紋，屬于使用磨損形成。說明主裂紋起源區域是氫致脆性開裂，其他大片的相連粗糙區是起源于此處的脆性快速撕裂，同時此區域內還存在原始白點裂紋，外表面磨光帶系使用過程中形成。

1.7 討論分析

宏觀裂紋斷口分析表明，矯直輥開裂起源于距輥身一端面約895 mm處內表面半圓形月牙區，呈脆性向縱向兩側截面并向內快速擴展，直至穿透壁厚形成縱向長裂紋，裂源區低倍顯示內孔表面有多條徑向小裂紋，微觀內表面有徑向裂紋，裂紋旁及裂紋斷口旁無脫碳無變化，裂源區斷口半圓形月牙微觀形貌與基體有凸起的長弧形韌窩帶過渡區圍繞，內部微觀形貌主要為解理平面+條束狀及碎條狀花樣、呈河流花樣的解理臺階以及快速擴張的波紋，也是屬于氫致脆性開裂典型微觀形貌，由此可以確定矯直輥輥身縱裂是屬于起源于內孔氫致白點裂紋缺陷的脆性快速開裂，正是由于工件N含量很高、H含量未達到無白點極限含量，且鍛件截面1/2R以內區域存在完整枝晶偏析等缺陷，在鍛后冷卻不佳以及內壓力較大情況下可能產生白點裂紋缺陷，同樣在中間預備熱處理淬火應力過大情況下一樣可能導致在H含量較高內壓力較大處產生白點裂紋缺陷，并造成基體材料塑性韌性下降，脆性增加。由于后續表面淬火時淬硬層過深，造成淬火應力過大，在白點裂紋缺陷區邊緣產生應力集中，直接導致裂紋脆性撕裂并快速向兩側縱向擴展增大，形成內部縱向長裂紋，之后在使用過程中工作應力作用下，沿裂紋缺陷延伸擴展直至穿透表面形成通身長裂紋而報廢。

2 工藝改進措施

針對以上問題，我們特在冶煉、鍛造和熱處理等方面提出以下改進要求：

1）鋼錠要求電弧爐冶煉并且經過脫氧及精煉、真空脫氣處理。嚴格控制材料成分，尤其是H、O、N含量 ω（H）≤ 2× 10-6、ω（O）≤ 20× 10-6、ω（N）≤ 70×10-6。

2）鍛造：鍛件應在有足夠能力的鍛壓設備上反復鍛造成形，以保證鍛件內部充分鍛透。要求鍛造比≥4，保證鍛件組織致密，成分均勻。

3）鍛件鍛后應進行擴氫退火，防止白點的產生。

4）鍛件應進行高、低倍試片檢測，從而及時發現毛坯中存在的質量問題。

5）逐根進行超聲波檢驗，執行標準為JB/T 5000.15—2007Ⅱ級（調質后進行終檢，并相應提高探傷級別，避免出現漏檢現象的發生）。

6）調質處理：嚴格按照熱處理規范執行，防止產生粗大組織。調質處理后進行機械性能檢測應符合DINENISO4957 規定：ReH≥ 850 MPa，Rm=900～ 1 050MPa，A≥ 17%。

7）表面淬火：必須在前期淬火工藝試驗件檢測淬硬深度和組織合格的前提下方可進行矯直輥產品的生產。嚴禁在不明確淬硬深度和淬硬組織狀態下盲目生產。

8）輥身磨削后逐根進行磁粉探傷，表面不允許有裂紋缺陷。

3 應用效果

通過對上述質量問題的深入分析和相應工藝控制手段的有效落實，使得該公司生產的矯直輥在歷時一年多的工程使用中再未發生過輥身開裂的質量問題，從而使得產品質量得到了圓滿控制。