45钢印刷网纹辊断裂原因分析*

2019-02-27刘加宋朱晖朝陈焕涛

材料研究与应用 2019年4期

刘加宋，朱晖朝，叶云，文魁，陈焕涛

广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广东广州510650

网纹辊是柔性印刷机的核心部件，可以均匀地向印版上传递油墨,不断地对网纹辊进行性能优化是发展柔性印刷技术的核心手段[1-4]．在印刷过程中，由于刮墨刀的作用会对网纹辊产生一定的磨损，日积月累就会使着墨孔的开口度逐渐变小，同时深度逐渐变浅，从而使网纹辊的传墨性下降，传递的总墨量逐步减少．在网纹辊表面喷涂氧化铬可以显著地提高网纹辊的耐磨性并且有效延长网纹辊的使用寿命[5]．普通网纹辊最常用材料是45钢，45钢是一种应用广泛的中碳调质结构钢，经过适当热处理后具有较高的强度和较好的切削加工性[6-7]．

某公司在对一批印刷网纹辊进行喷涂处理的过程中，一根网纹辊棍头发生断裂，为查明原因，防止类似事故发生，通过化学成分分析、金相组织观察、显微硬度和扫描电镜等分析手段，对断裂原因进行合理分析．

1 试样检验

印刷网纹辊整体如图1(a)所示，图1(b)和图1(c)为断辊两边端的断面．从图1(b)可见，大辊断面中心处有突起的痕迹．

图1 网纹辊宏观形貌图Fig.1 Anilox roller macrography

将图1(c)的小辊断面进行清洗，清洗后如图2所示．从图2可以明显看到，中心对应位置有凹陷的区域，仔细观察与大辊突起部位吻合．

图2 清洗后的小辊的断裂面Fig.2 The fracture surface of the small roller after cleaning

2 结果及分析

2.1 化学成分分析

2.1.1 组成成分

在网纹辊断面处进行取样，使用SPECTROLABM9型直读光谱仪进行化学成分分析，检测结果如表1所示．由表1可知，依据GB699-88中45钢的化学成分标准，说明网纹辊的各元素化学成分是符合标准要求的．可以排除因成分不均匀这一因素而引起的网纹辊断裂的因素．

2.1.2 非金属夹杂物

使用DK7725B型线切割机床在网纹辊断面截面进行切割取样，并使用徕卡DMI5000M金相镶嵌机和自动磨抛机进行制样．在斯特尔Tegramin-25

表1 网纹辊的化学成分

金相显微镜下放大100倍观察，结果如图3所示．从图3可见，非金属夹杂物较少，多为球状氧化物．依据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》可评为D1.5e级(e表示为粗系夹杂物)．

图3 非金属夹杂物形貌Fig.3 Non-metallic inclusion morphology

2.2 微观形貌分析

2.2.1 金相组织

采用5%的硝酸酒精溶液对样品进行金相腐蚀，在金相显微镜下可以清楚看到断辊的纵向截面显微组织，如图4所示．

从图4的金相图片中可以明显观察到白色网状的铁素体组织和黑色的块状珠光体，组织晶粒不均匀且珠光体晶粒粗大．正常45钢材的加工工艺应为850 ℃加热30 min正火处理后进行炉冷或者空冷，优良的45钢正火组织应为块状铁素体和细小珠光体片．同时也发现，该样品明显没有经过调质处理，因经正常调质处理的金相组织应为回火索氏体．这是由于该辊的热处理正火温度较高，不仅使得奥氏体化的晶粒过大，而且会让冷却速度过快，这都会促使魏氏组织的产生．这种网状铁素体第二相组织结构会影响材料的力学性能，使材料的柔韧性严重下降，并且极易形成微裂纹，加速疲劳裂纹的产生，引起应力集中，从而产生断裂．

图4 网纹辊纵向截面500X显微组织图Fig.4 Microstructure of longitudinal section of anilox roller under 500X magnification

2.2.2 断口形貌

采用JSM-5910型扫描电镜(SEM)对网纹辊断口微观形貌进行观察分析(图5)．从图5(a)和图5(b)可以明显地看到，断口为韧性韧窝断口．图5(c)和图5(d)为断裂结束留下的痕迹，可以看到断口有细小的微裂纹．据此可推断该网纹辊的断裂原因是由于微裂纹产生引发的应力集中，进而形成的韧性断裂．

2.3 硬度分析

使用MH-5维氏硬度计进行硬度测量，严格依照ASTM E384《材料维氏硬度测试方法》进行测试．对网纹辊断面截面的金相样品进行硬度测量，测量结果列于表2．

图5 断裂面形貌图(a)和(b)不同倍率下断口形貌；(c)和(d)不同倍率下断裂痕迹Fig.5 Scanning electron microscopy morphology(a) and (b) fracture morphology at different magnifications；(c) and (d) fracture marks at different magnifications

表2 网纹辊的硬度结果

图6为断裂面附近硬度变化折线图．从图6的硬度试验数据可知，测试点硬度值随着与断面的距离增大而增大．45钢属于亚共析钢，其软相组织为铁素体，所以硬度结果可以说明在断面处附近析出铁素体的量比其他区域要高．正如前面分析，网纹辊断裂原因是析出的铁素产生微裂纹进而引起应力集中产生断裂，这与硬度结果相吻合．

图6 断裂面附近硬度变化折线图Fig.6 Line chart of hardness change near the fracture surface

综上所述，网纹辊的材料成分无异常，夹杂物检测结果正常．网纹辊材料为45钢，显微镜下观察腐蚀后的金相组织与常规热处理后的45钢差异较大，存在较多白色网状和羽毛状的铁素体和黑色块状珠光体，这种魏氏组织会极度恶化材料的各项力学性能．扫描电镜下的显微组织结果可以从直观的角度看到断裂的韧性韧窝和一些细小的微裂纹，说明材料的断裂类型为韧性断裂．硬度结果显示随着与断裂面的距离变大，材料的硬度也逐渐增大，由于铁素体是材料中的软相组织，这个结果可以从侧面说明断裂面附近的铁素体较多，断裂可能是网状和羽毛状的铁素体形成的魏氏组织引发的．