1144易切削鋼剪切開裂原因分析

劉鳳連，董鳳奎，劉年富

(1.八步區經濟貿易局，廣西 賀州 542899； 2.寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關 512123)

易切削鋼是在鋼中加入硫、鉛、硒、碲等易切削元素，使鋼的切削抗力減小，同時利用易切削元素本身和其所形成的化合物潤滑切削刀具的能力，在切削時易斷屑，減輕了磨損，從而降低了工件的表面粗糙度，改善了刀具壽命和生產效率。隨著機械加工的自動化和高效化，尤其是汽車工業的發展，易切削鋼應用越來越廣泛[1-3]。

某用戶在對1144易切削鋼進行剪切下料的過程中，發現剪切完成后部分材料存在端部開裂現象。由于存在端部開裂問題，需對材料進行挑選，影響了生產節奏，致使生產成本增加。為了找出材料端部開裂產生的原因，避免后續再出現此類問題，對剪切開裂試樣進行化學成分分析、金相組織觀察、掃描電鏡及能譜成分分析，分析了1144易切削鋼剪切開裂的原因，并提出了改進措施。

1 理化檢驗

1.1 化學分析

采用德國OBLF QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀對開裂的1144易切削鋼進行化學成分分析，結果見表1。由表1可知，1144易切削鋼的化學成分符合內控要求，材料成分無異常。

表1 1144易切削鋼化學成分(質量分數，%) Table 1 Chemical composition of the 1144 free cuttingsteel(mass fraction，%)

1.2 宏觀分析

對剪切開裂的端面進行目視觀察，裂紋方向與剪切方向相垂直，裂紋開口尺寸從圓鋼的一側表面向另一側逐漸變小，如圖1所示。使用德國蔡司Stemi508型體視顯微鏡對開口較大一側的外表面進行觀察，在此區域的鋼材外表面存在一條與開裂部位相連的縱向細裂紋，如圖2所示。

圖2 表面裂紋宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of the surface crack

1.3 金相分析

使用切割機在縱向細裂紋處對試樣進行橫剖，然后對試樣橫剖面進行磨制拋光，使用德國萊卡DMILM型倒置數字顯微鏡對試樣拋光面進行觀。發現裂紋深約326 μm，與表面呈60°交角，裂紋向內有分叉現象，其內有大量不連續的灰色氧化物和少量黑色顆粒，見圖3。使用4%的硝酸酒精溶液對試樣拋光面進行浸蝕，清洗吹干后觀察其組織形貌，裂紋處存在脫碳現象，其附近組織為鐵素體+珠光體，見圖4；基體組織為珠光體+鐵素體，見圖5。

圖3 裂紋處微觀形貌Fig.3 Micromorphology of the crack

圖4 裂紋處顯微組織Fig.4 Microstructure of the crack

圖5 基體顯微組織Fig.5 Microstructure of the matrix

(a)能譜分析位置；(b)能譜分析圖圖6 灰色氧化物能譜圖(a) energy spectrum analysis location;(b) energy spectrum analysis diagramFig.6 Energy spectrum of the gray oxide

1.4 能譜分析

使用配備牛津X-Max電制冷能譜儀的蔡司EVO18掃描電子顯微鏡對裂紋內灰色氧化物和黑色顆粒進行微區成分分析。經能譜成分分析發現，灰色氧化物主要含有Fe、O、Mn等元素，如圖6所示；黑色顆粒主要含有Si、Ca、Mn、Mg、Fe、O等元素，如圖7所示。裂紋處主要元素分布情況見圖8。

(a)能譜分析位置；(b)能譜分析圖圖7 黑色顆粒能譜圖(a) energy spectrum analysis location;(b) energy spectrum analysis diagramFig.7 Energy spectrum of the black particle

圖8 裂紋處元素分布圖Fig.8 Elemental distribution of the crack area

2 分析與討論

剪切開裂通常是由于剪切工藝不當[4]、材料存在缺陷[5-7]或兩者相結合[8]造成的。此1144易切削鋼剪切裂紋開口尺寸從圓鋼的一側表面向另一側逐漸變小，由此可知，裂紋源位于開口較大的圓鋼表面處。在此區域發現一條與開裂部位相連的縱向細裂紋，而此鋼材的化學成分符合內控要求，基體組織為正常的珠光體+鐵素體，未見其他異常組織，由此判斷材料剪切開裂主要與材料表面存在縱向裂紋有關。由于材料表面存在縱向裂紋，破壞了基體的連續性，并致使此處容易產生應力集中，嚴重降低了鋼材的剪切抗力。剪切時，在剪切應力的作用下，材料沿表面縱向裂紋處起裂，最終造成端面剪切開裂。

客戶僅對材料進行剪切下料，未進行其他加工及熱處理。而從金相及能譜結果來看，材料表面縱向裂紋有分叉現象，其內有大量不連續含有Fe、O、Mn的灰色氧化物和少量含有Si、Ca、Mn、Mg的黑色顆粒且存在脫碳現象。由此可知，材料表面縱向裂紋應是連鑄時產生的表面缺陷，在后續的加熱軋制環節未能完全焊合造成的。

為了避免因材料表面縱裂紋造成剪切開裂，鋼廠應加強鋼材表面質量控制，并加強材料出廠前的表面質量把關，防止存在嚴重表面裂紋的鋼材流入下游。

3 結論

1)鋼材表面存在縱向裂紋，破壞了基體的連續性，嚴重降低了鋼材的剪切抗力，是1144易切削鋼剪切開裂的主要原因。

2)鋼廠加強鋼材表面缺陷把關工作，解決了由表面裂紋造成的剪切開裂問題。