40Mn2锻造磨球失效分析

2015-11-28孙志鹏艾云龙王家宣陈卫华

失效分析与预防 2015年1期

孙志鹏，艾云龙，*，周伟，王家宣，陈卫华

(1.南昌航空大学材料科学与工程学院，南昌 330063;2.江铜集团(余干)锻铸有限公司，江西余干 335100)

0 引言

磨球是广泛用于冶金选矿、水泥制造、建材制粉等企业工况的主要研磨体之一，尤其在磨粉选矿方面，其消耗量占据众多消耗材料首位，我国每年消耗百万吨以上［1-3］。近年来，国内外球磨机都有向大型化方向发展的趋势，特别是大型半自磨机的直径超过10 m，对磨球的硬度及尺寸提出更高的要求［4］。目前，生产企业多数采用低合金钢生产大直径磨球，通过添加Cr、Mn、Mo 等元素来提高硬度和淬透性［5］。生产过程中，磨球材质的缺陷易使产品产生裂纹，裂纹会导致磨球破损率和磨耗增加。由此可见，磨球产品的质量对企业的经济效益有着至关重要的影响。

该案例中的40Mn2 磨球采用胎膜锻批量生产，生产工艺流程为:坯料加热→胎膜锻→淬火→回火。在成品磨球抽样检验时，发现磨球中心出现孔洞、裂纹等缺陷，严重影响了企业产品的合格率。本研究根据工厂实际生产工序，通过组织观察、化学成分测定等方法对锻造坯料及出现缺陷的钢球进行了失效分析，为消除产品缺陷、提高产品的合格率提供技术参考。

1 实验材料与研究方法

用钻床钻取5 g 左右锻造坯料粉末，采用Varisn725-ES 型光谱仪测定化学成分;将锻造坯料沿直径方向切片，并在表层和心部采用DK7735型线切割机截取20 mm ×10 mm ×10 mm 样品2个;将缺陷成品球沿中心剖开，由圆片表层至心部采用线切割机截取20 mm×10 mm×10 mm 样品3个。样品经制样→砂纸打磨→抛光后，用4%(体积分数)硝酸酒精进行腐蚀，在XJP-6A 型金相显微镜下进行金相观察。金相样品经JL-180DTH 型超声波清洗机清洗，去除沾染的杂质，置于QUANTA200 型扫描电子显微镜下观察样品微观形貌，并进行EDS 微区成分测定与分析。

2 实验过程与结果

2.1 锻球缺陷件宏观形貌观察

锻球缺陷件宏观形貌如图1 所示，可见锻球内部存在孔洞及裂纹缺陷。孔洞位于锻球中心部位，尺寸较大，形状不规则;裂纹位于磨球内部，数量较多，分布区域较广。

2.2 锻球缺陷件显微组织分析

图2 为锻球缺陷件金相组织图。由图2a 可知磨球表层为马氏体组织;图2b、图2c 显示次表层及心部区域为珠光体和铁素体混合组织，次表层可观察到有较多魏氏组织。由于锻造磨球直径较大，在冷却过程中内外区域存在温度梯度，导致次表层及心部区域在一定冷速条件下，形成许多平行的铁素体针片，即魏氏组织。魏氏组织对钢力学性能有极大影响，珠光体基体上分布的针状铁素体，会切割基体组织，导致外应力在铁素体尖端集中，形成裂纹核心［6］。

图3 为锻球缺陷件裂纹微观形貌图片，可见裂纹附近区域存在大量魏氏组织，裂纹尾端与魏氏组织针尖相连(图3b);裂纹中可观察到较多夹杂(图3c)，夹杂主要为氧化物(图4)。因此，裂纹的形成与魏氏组织有关，且沿着已有的夹杂延展。

图1 40Mn2锻球缺陷件宏观形貌图Fig.1 The failure steel ball by 40Mn2

图2 40Mn2锻球缺陷件金相组织图Fig.2 Metallurgical structure of the failure forging ball by 40Mn2

图3 40Mn2锻球缺陷件SEM 图片Fig.3 SEM of the failure steel ball by 40Mn2

图4 40Mn2锻球缺陷件裂纹EDS 图片Fig.4 EDS of crack for the failure forging ball by 40Mn2

2.3 锻造坯料化学成分测定

采用ICP 法对锻造坯料进行化学成分测定，结果如表1 所示。其中C、Si、Mn 均符合GB/T 3077—1999。

表1 40Mn2锻造坯料化学成分测定结果(质量分数/%)Table 1 Composition analysis results of the raw materials by 40Mn2 (mass fraction/%)

2.4 锻造坯料显微组织分析

图5 为锻造坯料金相图片。由图5 可知，磨球锻造坯料组织主要由珠光体和铁素体组成，铁素体与珠光体间隔排列，形成明显带状组织，带状铁素体主要沿锻造坯料棒材轧制方向分布，珠光体组织有异常长大情况。锻造坯料中缺陷生成的原因是:在坯料生产过程中，钢液由于凝固时的选择性结晶，枝晶与枝干成分不同，合金元素在枝晶间富集;在随后的轧制中，枝晶与枝干沿应变方向延长，并逐渐与变形方向一致，形成碳与合金元素的贫化带和富化带;轧制后的冷却过程中，如果冷速过慢，奥氏体会在贫化区产生先共析铁素体，与富化带产生的珠光体一起形成沿轧制方向分布的非常明显的条带状组织［7-8］。带状组织会极大影响材料性能，在机加工和热处理过程中，裂纹易沿带与带之间产生和扩展。同时，由于心部区域热交换速度较表层更低，导致心部组织冷速较表层更慢，各种组织有时间继续长大，致使心部组织较表层更为粗大。

图6 为坯料微观形貌图片。由图6 可知，坯料中弥散分布着不同尺寸的气孔(针孔)和夹杂物缺陷。坯料中气孔尺寸较小，但数量较多，且距离较近，聚集成链状。在外应力作用下，链状气孔极易成为裂纹的扩展和发生源［9-10］。对夹杂物进行能谱分析，结果如图7 所示，夹杂物主要为硫化物和氧化物。综合图5～图7 可知，由于材料中存在明显带状组织，其纵向变形能力差;在锻造过程中，锻模主要变形纵向部位，易使基体沿带状组织分隔面间断裂，裂纹产生后，夹杂和气孔对其有促进作用;带状组织断裂形成的裂纹在基体中扩展并彼此聚合，最终形成宏观裂纹及孔洞。

图5 40Mn2锻造坯料金相组织图Fig.5 Metallurgical structure of raw materials by 40Mn2

图6 40Mn2锻造坯料SEM 图Fig.6 SEM of raw materials by 40Mn2

3 分析与讨论

锻造坯料化学成分分析表明，该锻球成分符合国标40Mn2 材质要求;锻造坯料的金相分析表明，表面组织和心部组织不均匀，且存在明显带状组织以及夹杂、孔洞等缺陷。在坯料鐓粗时，采用自由胎膜，锻造方式中纵向变形较多，由于原材料存在较明显的带状组织，导致材料纵向变形能力差，致使坯料沿带状组织分隔面之间撕裂，产生裂纹，同时裂纹会沿着已有的夹杂和气孔扩展，形成宏观裂纹［11］。

图7 40Mn2锻造坯料夹杂EDS 图Fig.7 EDS of inclusion for raw materials by 40Mn2

锻球缺陷件金相与电镜分析表明，缺陷成品中存在明显魏氏组织;裂纹由魏氏组织尖端发源且沿夹杂扩展;自由锻后，锻件会进行淬火，淬火过程中，由于磨球表层和次表层及心部热交换速率不同，次表层及心部冷速处于魏氏组织产生区间，导致了粗大魏氏体组织的生成。磨球淬火时会产生淬火热引力，易使魏氏组织尖端产生微裂纹，并沿着锻造坯料中原有的夹杂及气孔扩展，形成裂纹，导致材料韧性下降。