1144易切削钢剪切开裂原因分析

刘凤连，董凤奎，刘年富

(1.八步区经济贸易局，广西 贺州 542899； 2.宝武杰富意特殊钢有限公司，广东 韶关 512123)

易切削钢是在钢中加入硫、铅、硒、碲等易切削元素，使钢的切削抗力减小，同时利用易切削元素本身和其所形成的化合物润滑切削刀具的能力，在切削时易断屑，减轻了磨损，从而降低了工件的表面粗糙度，改善了刀具寿命和生产效率。随着机械加工的自动化和高效化，尤其是汽车工业的发展，易切削钢应用越来越广泛[1-3]。

某用户在对1144易切削钢进行剪切下料的过程中，发现剪切完成后部分材料存在端部开裂现象。由于存在端部开裂问题，需对材料进行挑选，影响了生产节奏，致使生产成本增加。为了找出材料端部开裂产生的原因，避免后续再出现此类问题，对剪切开裂试样进行化学成分分析、金相组织观察、扫描电镜及能谱成分分析，分析了1144易切削钢剪切开裂的原因，并提出了改进措施。

1 理化检验

1.1 化学分析

采用德国OBLF QSN750-Ⅱ型直读光谱仪对开裂的1144易切削钢进行化学成分分析，结果见表1。由表1可知，1144易切削钢的化学成分符合内控要求，材料成分无异常。

表1 1144易切削钢化学成分(质量分数，%) Table 1 Chemical composition of the 1144 free cuttingsteel(mass fraction，%)

1.2 宏观分析

对剪切开裂的端面进行目视观察，裂纹方向与剪切方向相垂直，裂纹开口尺寸从圆钢的一侧表面向另一侧逐渐变小，如图1所示。使用德国蔡司Stemi508型体视显微镜对开口较大一侧的外表面进行观察，在此区域的钢材外表面存在一条与开裂部位相连的纵向细裂纹，如图2所示。

图2 表面裂纹宏观形貌Fig.2 Macromorphology of the surface crack

1.3 金相分析

使用切割机在纵向细裂纹处对试样进行横剖，然后对试样横剖面进行磨制抛光，使用德国莱卡DMILM型倒置数字显微镜对试样抛光面进行观。发现裂纹深约326 μm，与表面呈60°交角，裂纹向内有分叉现象，其内有大量不连续的灰色氧化物和少量黑色颗粒，见图3。使用4%的硝酸酒精溶液对试样抛光面进行浸蚀，清洗吹干后观察其组织形貌，裂纹处存在脱碳现象，其附近组织为铁素体+珠光体，见图4；基体组织为珠光体+铁素体，见图5。

图3 裂纹处微观形貌Fig.3 Micromorphology of the crack

图4 裂纹处显微组织Fig.4 Microstructure of the crack

图5 基体显微组织Fig.5 Microstructure of the matrix

(a)能谱分析位置；(b)能谱分析图图6 灰色氧化物能谱图(a) energy spectrum analysis location;(b) energy spectrum analysis diagramFig.6 Energy spectrum of the gray oxide

1.4 能谱分析

使用配备牛津X-Max电制冷能谱仪的蔡司EVO18扫描电子显微镜对裂纹内灰色氧化物和黑色颗粒进行微区成分分析。经能谱成分分析发现，灰色氧化物主要含有Fe、O、Mn等元素，如图6所示；黑色颗粒主要含有Si、Ca、Mn、Mg、Fe、O等元素，如图7所示。裂纹处主要元素分布情况见图8。

(a)能谱分析位置；(b)能谱分析图图7 黑色颗粒能谱图(a) energy spectrum analysis location;(b) energy spectrum analysis diagramFig.7 Energy spectrum of the black particle

图8 裂纹处元素分布图Fig.8 Elemental distribution of the crack area

2 分析与讨论

剪切开裂通常是由于剪切工艺不当[4]、材料存在缺陷[5-7]或两者相结合[8]造成的。此1144易切削钢剪切裂纹开口尺寸从圆钢的一侧表面向另一侧逐渐变小，由此可知，裂纹源位于开口较大的圆钢表面处。在此区域发现一条与开裂部位相连的纵向细裂纹，而此钢材的化学成分符合内控要求，基体组织为正常的珠光体+铁素体，未见其他异常组织，由此判断材料剪切开裂主要与材料表面存在纵向裂纹有关。由于材料表面存在纵向裂纹，破坏了基体的连续性，并致使此处容易产生应力集中，严重降低了钢材的剪切抗力。剪切时，在剪切应力的作用下，材料沿表面纵向裂纹处起裂，最终造成端面剪切开裂。

客户仅对材料进行剪切下料，未进行其他加工及热处理。而从金相及能谱结果来看，材料表面纵向裂纹有分叉现象，其内有大量不连续含有Fe、O、Mn的灰色氧化物和少量含有Si、Ca、Mn、Mg的黑色颗粒且存在脱碳现象。由此可知，材料表面纵向裂纹应是连铸时产生的表面缺陷，在后续的加热轧制环节未能完全焊合造成的。

为了避免因材料表面纵裂纹造成剪切开裂，钢厂应加强钢材表面质量控制，并加强材料出厂前的表面质量把关，防止存在严重表面裂纹的钢材流入下游。

3 结论

1)钢材表面存在纵向裂纹，破坏了基体的连续性，严重降低了钢材的剪切抗力，是1144易切削钢剪切开裂的主要原因。

2)钢厂加强钢材表面缺陷把关工作，解决了由表面裂纹造成的剪切开裂问题。