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鄭州晶品超硬工具有限公司
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| 鄭州晶品轉(zhuǎn)載：金剛石鋸片基體裂紋原因淺析 |
近幾年來(lái)由于建筑業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)建材工業(yè)的發(fā)展，廣闊的市場(chǎng)容量使得對(duì)金剛石鋸片基體用鋼 的需求量大大增加。目前我國(guó)金剛石鋸片基體用鋼仍有20%依賴于進(jìn)口，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的金剛石鋸片用鋼的使用質(zhì)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場(chǎng)的要求。
國(guó)內(nèi)金剛石鋸片基體用鋼以中高碳彈簧鋼為主，因其具有優(yōu)越的切削性能和耐磨損性能，被廣泛用于石材加工、公路及機(jī)場(chǎng)建設(shè)等。但是由于鋸片基體用鋼自身合金元素的特性，給實(shí)際生產(chǎn)和使用帶來(lái)了諸多問(wèn)題，如熱處理變形大、硬度不均、裂紋等。金剛石鋸片基體用鋼產(chǎn)生裂紋的因素諸多，主要影響因素有：鋼的化學(xué)成分、原材料缺陷、鋼的原始組織、加熱因素、冷卻因素、鋸片特有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，導(dǎo)致片體端面分布各種應(yīng)力聚集，尤其是周邊的拉應(yīng)力大大增加都是形成裂紋的潛在因素。由于影響鋸片基體用鋼產(chǎn)生裂紋的因素多種多樣，本文主要從以下三個(gè)方面來(lái)分析金剛石鋸片基體產(chǎn)生裂紋的原因以及金剛石鋸片基體失效機(jī)理。
1、金剛石鋸片基體材料缺陷引起的裂紋
目前金剛石鋸片基體用鋼以中高碳彈簧鋼為主， 中高碳彈簧鋼材料中非金屬夾雜、組織不均、微裂紋 和表面缺陷等均可成為疲勞裂紋的可能源區(qū)，而促使鋸片基體發(fā)生早期失效。中高碳彈簧鋼中的非金屬夾雜物、表面缺陷和帶狀偏析是影響鋸片基體使用壽命的主要因素，由于金剛石鋸片基體表面有麻坑、缺陷或次表層有密集分布的碳化物粒子或帶狀偏析，這些作為疲勞源從而促進(jìn)了鋸片基體發(fā)生疲勞失效。另外由于材料斷裂韌性低，這就促使鋸片基體過(guò)早地發(fā)生疲勞斷裂。
1.1 非金屬夾雜物
金剛石鋸片基體用鋼中非金屬夾雜物主要是在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的Al2O3和TiN等夾雜物。它們對(duì)疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、 形狀和分布；另一方面受鋸片鋼基體組織和性質(zhì)制約，與基體結(jié)合力弱的尺寸大的脆性?shī)A雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大。而且，中高碳彈簧鋼的強(qiáng)度水平愈高，夾雜物對(duì)疲勞極限的有害影響也愈顯著。
1.2 表面缺陷
表面質(zhì)量問(wèn)題主要分三類：一是明顯的軋制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分劃傷翹皮，主要由于軋鋼設(shè)備陳舊、精整設(shè)施落后和孔型設(shè)計(jì)調(diào)整不到位引 起的。另外坯料表面修磨不當(dāng)，產(chǎn)生尖角棱子及凹坑劃傷，經(jīng)軋制后也易形成折迭缺陷；二是表面裂紋，它在鋼材表面呈縱向連續(xù)或斷續(xù)分布，主要是由于坯料殘存的裂紋和皮下缺陷引起的，乳制應(yīng)力及冷卻不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生表面裂紋；三是表面劃傷及翹皮，這與工裝條件及操作不當(dāng)有關(guān)，在打包、運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生擦傷。它們的存在必然是材料產(chǎn)生失效的起源點(diǎn)，易直接導(dǎo)致材料斷裂。但對(duì)于局部較小的凹坑、劃傷、疤皮、麻點(diǎn)等缺陷，人們一般不太重視，它們的存在有的雖是標(biāo)準(zhǔn)允許的，不會(huì)成為失效的主因，但它們存在的區(qū)域肯定是材料的薄弱部位，在材料整體塑性不好時(shí)它們也會(huì)成為開(kāi)裂的突破口。由于在失效時(shí)小缺陷已受到破壞或取樣時(shí)未檢驗(yàn)到具體部位，所以失效分析中往往忽略了這一因素。
1.3 帶狀偏析
在利用連鑄生產(chǎn)中高碳彈簧鋼時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)偏析帶（白亮帶），負(fù)偏析主要是由于電磁攪拌不當(dāng)或冷卻過(guò)程不穩(wěn)定造成的。凝固過(guò)程中不可避免存在選分結(jié)晶。碳在鐵中的偏析系數(shù)K值為0.13，由此可計(jì)算出如碳含量為0.55%左右的鋼液開(kāi)始結(jié)晶時(shí)的枝晶干上碳含量Cs為0. 0715%；在電磁攪拌的作用下，樹(shù)枝晶將被切斷，一部分被切斷的枝晶將被溶化，剩余部分枝晶將被攪拌旋流逐漸旋至中心附近形成晶核，使部分鋼水先凝固形成負(fù)偏析；另一方面，在連鑄工藝中，中心疏松和偏析不可能完全消除，因?yàn)檫B鑄坯在凝固過(guò)程中總存在周期性的樹(shù)枝晶搭橋現(xiàn)象，在搭橋處由于優(yōu)先結(jié)晶，也形成負(fù)偏析。
負(fù)偏析處由于碳含量較低，在硫印和酸浸低倍試片上呈白亮線條，在熱加工后仍然可能保留下來(lái)。由于經(jīng)過(guò)變形，熱加工后在截面上表現(xiàn)為寬度很窄的白亮條帶狀。具有帶狀偏析的彈簧鋼，在淬火加熱時(shí)，在奧氏體相區(qū)，帶狀鐵 素體的周圍碳原子將向內(nèi)部擴(kuò)散，但是由于加熱保溫時(shí)間較短，而且Si、S偏析對(duì)碳原子的阻礙作用，原負(fù)偏析帶狀鐵素體內(nèi)的碳原子濃度仍低于周圍組織的碳含量。經(jīng)過(guò)淬火后，帶狀偏析組織形成含碳量低于周圍的馬氏體組織，經(jīng)過(guò)回火后形成碳含量低于周圍組 織的白亮帶狀回火索氏體。
在原材料中存在帶狀偏析，會(huì)嚴(yán)重的影響到金剛石鋸片基體用鋼的疲勞壽命。這是因?yàn)樵谘h(huán)載荷下，金剛石鋸片基體用鋼中的游離帶狀組織由于強(qiáng)度 相對(duì)較低，很容易產(chǎn)生疲勞裂紋源，當(dāng)裂紋在外力作用下擴(kuò)展到一定程度后則鋸片基體就會(huì)失效。
另一方面，帶狀偏析導(dǎo)致在加熱過(guò)程中合金含量低的帶內(nèi)晶粒易于粗化，形成粗大的晶粒；合金含量高的帶內(nèi)存在大量的細(xì)小的合金碳化物，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大而獲得細(xì)小的晶粒。淬火加熱時(shí)帶狀鐵素體周圍的碳原子向其帶內(nèi)擴(kuò)散，但由于加熱溫度不太高，加熱時(shí)間較短，加上Si源子的阻礙，原鐵素體偏聚區(qū)的奧氏體與周圍的碳原子未能達(dá)到均勻，淬火后導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變的不同，致使在帶間產(chǎn)生大的組織應(yīng)力。
研究發(fā)現(xiàn)，馬氏體相變時(shí)的組織應(yīng)力與晶粒尺寸有密切關(guān)系，粗大的晶粒增大了淬火裂紋的傾向；同時(shí)，在淬火的過(guò)程中，非金屬夾雜物沿晶界偏聚呈帶狀分布，該類夾雜物質(zhì)軟，與基體結(jié)合強(qiáng)度差，破壞了鋸片基體的連續(xù)性，導(dǎo)致大晶粒的晶界弱化和變形協(xié)調(diào)性較差，致使晶界應(yīng)力集中。所以在應(yīng)力的作用下，脆性相和帶狀?yuàn)A雜物成為裂紋的發(fā)源地，促進(jìn)淬火裂紋形成并迅速擴(kuò)展，擴(kuò)展到縱向中心線附近時(shí)，變形受到約束，從而以裂紋的形式釋放應(yīng)力，誘發(fā)淬火裂紋的產(chǎn)生。
2、熱處理工藝不合理引起的裂紋
在鋸片基體的生產(chǎn)中，熱處理工藝不合理是導(dǎo)致金剛石鋸片基體裂紋產(chǎn)生的主要原因。熱處理工藝不當(dāng)主要表現(xiàn)為氧化與脫碳嚴(yán)重、淬火變形大、過(guò)熱和過(guò)燒、發(fā)生回火脆性等。其造成熱處理裂紋主要是由于中高碳彈簧鋼加熱溫度過(guò)高、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得組織中的奧氏體晶粒粗化，淬火后馬氏體針粗大，導(dǎo)致彈簧鋼內(nèi)應(yīng)力與脆性增大，從而形成熱處理裂紋，熱處理造成金剛石鋸片基體用鋼裂紋缺陷在金相顯微鏡下觀察一般呈沿晶斷裂特征。
2.1 氧化與脫碳
金剛石鋸片基體在空氣等氧化性氣氛中加熱時(shí)表面容易發(fā)生氧化。氧化使鋸片基體表面粗糙度增加，精度下降，而且基體表面氧化皮往往是造成淬火軟點(diǎn)和淬火開(kāi)裂的根源，使基體強(qiáng)度降低。因此中高碳彈簧鋼在加熱時(shí)，在保證組織轉(zhuǎn)變的前提下，加熱溫度應(yīng)盡可能低，保溫時(shí)間應(yīng)盡可能短。
中高碳彈簧鋼表面氧化的同時(shí)一般都伴隨表面脫碳，脫碳是金剛石鋸片基體常見(jiàn)的表面缺陷，對(duì)基體的使用性能有顯著影響。彈簧鋼材表面脫碳0.1mm就會(huì)使其疲勞極限顯著下降。而且，隨著基體表面脫碳層深度增加，疲勞壽命顯著下降。特別是鋸片基體表面脫碳層出現(xiàn)鐵素體可降低疲勞極限50%。由于脫碳，基體的表面硬度下降，在交變應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋，使金剛石鋸片基體過(guò)早疲勞失效。
含碳量越高，加熱溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，基體的脫碳傾向越大，而且不同含碳量的鋸片基體用鋼脫碳后，其微觀組織亦不同。當(dāng)金剛石鋸片基體用鋼表面氧化脫碳以后，表層的硬度和強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生裂紋，甚至產(chǎn)生斷裂。另外，表面層不同部位淬火時(shí)膨脹系數(shù)不同，引起應(yīng)力集中，致使鋸片基體全脫碳層與部分脫碳層之間的過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生微裂紋，這些可見(jiàn)的或不可見(jiàn)的微裂紋成為應(yīng)力集中區(qū)，并作為裂紋繼續(xù)發(fā)展的起源，引起基體的失效或斷裂。因此，應(yīng)當(dāng)限制金剛石鋸片基體的脫碳層深度。
2.2 淬火變形
對(duì)于用中高碳彈簧鋼作基體材料的金剛石鋸片，要達(dá)到基體的彈性極限和硬度指標(biāo)，其熱處理方式應(yīng)采用淬火+中溫回火。但金剛石鋸片基體淬火有個(gè)非常突出的特點(diǎn)，那就是淬火變形量和開(kāi)裂傾向性大。
產(chǎn)生變形的原因有：加熱無(wú)論是空氣還是鹽浴，熱量的對(duì)流或多或少都會(huì)對(duì)片基產(chǎn)生沖擊而造成加熱變形。由于其截面各部分冷卻速度不同而造成溫度差異，引起鋼的體積收縮不均勻，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的形成；另外在淬火時(shí)，鋼的過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中伴隨有比容的變化而造成組織應(yīng)力形成的相變變形等。由于基體是薄片件，面積大而厚度薄，其直徑從Φ300-2200mm，而厚度一般只有2-10mm，如此大的薄片件淬火時(shí)的熱處理變形和開(kāi)裂正是基體熱處理的難點(diǎn)。如何減少淬火變形和開(kāi)裂的控制以滿足基體平面度和硬度的要求是金剛石鋸片基體熱處理的關(guān)鍵。
2.3 過(guò)熱和過(guò)燒
金剛石鋸片基體在萍火加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成奧氏體晶粒粗大的缺陷稱為過(guò)熱。過(guò)熱的鋸片基體在淬火后得到粗大的粗針狀馬氏體組織，為淬火過(guò)熱組織，易于引起淬火裂紋。因此淬火過(guò)熱的鋸片基體強(qiáng)度降低，尤其是沖擊韌性、塑性顯著下降，易于產(chǎn)生脆性斷裂。輕微的過(guò)熱可用延長(zhǎng)回火時(shí)間來(lái)補(bǔ)救。嚴(yán)重的過(guò)熱可采用完全退火或正火使晶粒細(xì)化。
若淬火加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或發(fā)生晶界氧化的現(xiàn)象稱為過(guò)燒。過(guò)燒使金剛石鋸片基體性能嚴(yán)重惡化，極易產(chǎn)生熱處理裂紋，所以過(guò)燒是不允許的熱處理缺陷，一旦出現(xiàn)過(guò)燒則無(wú)法補(bǔ)救，只好報(bào)廢。
2.4 回火脆性
熱處理（主要是回火）脆性是中高碳彈簧鋼發(fā)生裂紋的另一個(gè)主要原因。中高碳彈簧鋼的回火脆性通常是指在350~550°C臨界溫度范圍內(nèi)加熱或緩慢冷卻時(shí)所顯示出來(lái)的脆性，此時(shí)沖擊轉(zhuǎn)變溫度趨于較高范圍，脆性特征為中高碳彈簧鋼經(jīng)350~550°C溫度范圍回火以后，組織沿著原始奧氏體晶界斷裂和雜質(zhì)在晶界的偏聚，降低了在室溫下的沖擊值和KIC值。中髙碳彈簧鋼對(duì)回火脆性的敏感性受在臨界溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間、合金成分和雜質(zhì)含量水平的影響。
中高碳彈簧鋼在350-550℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間加熱，或在這一溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)，對(duì)產(chǎn)生脆性是敏感的。由于中高碳彈簧鋼中加人了1%～2%左右的Mn，因而具有過(guò)熱敏感性和回火脆性傾向，其回火溫度范圍正好處于第一類回火脆性和第二類回火脆性結(jié)合處，如果不能及時(shí)回火、保溫和冷卻，就會(huì)使彈簧鋼產(chǎn)生脆性。
3、淬火介質(zhì)選擇不當(dāng)引起的裂紋
當(dāng)彈簧鋼含碳量<0.20%，一般形成板條狀馬氏體，它具有良好的塑性和強(qiáng)度。當(dāng)含碳量達(dá)0.60%時(shí)，形成針狀馬氏體，硬而脆。含碳量在0.20%～0.60%之間，則形成兩種馬氏體的混合組織。中高碳彈簧鋼隨含碳量的增加，針狀馬氏體越來(lái)越多，板條狀馬氏體越來(lái)越少。顯然當(dāng)中髙碳彈簧鋼含碳量增加后，由于針狀馬氏體塑性差，在馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中，產(chǎn)生的組織應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致淬火裂紋，因而在馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度以下要求慢冷。
由各種彈簧鋼的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線和端淬曲線可知，中高碳彈簧鋼的馬氏體形成溫度一般在300℃左右。因此合適的冷卻介質(zhì)應(yīng)在鼻尖處達(dá)到最大冷卻速度而在300℃以下有適當(dāng)?shù)牡睦鋮s速度，以使過(guò)冷奧氏體不致形成珠光體類型或貝氏體類型的組織。
如果淬火介質(zhì)在馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度以下冷速過(guò)快則開(kāi)始有細(xì)小針狀馬氏體出現(xiàn)，淬火變形量急劇上升。由于表面和心部組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性，當(dāng)表面已形成堅(jiān)硬的馬氏體后，內(nèi)部也發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，由于馬氏體比容大，體積膨脹，因而使表面層受到很大拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)鋼的屈服極限時(shí)，則產(chǎn)生由表向里的縱向裂紋。而弧形裂紋則出現(xiàn)在工件的凹槽，孔眼處。此時(shí)的裂紋主要是由組織應(yīng)力引起的，同時(shí)伴有熱應(yīng)力和形變（剪切）應(yīng)力。
由于在冷床上滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、冷卻速度太快，鋼中許多殘留奧氏體在Ms點(diǎn)以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，由于溫度低熱力學(xué)條件差，轉(zhuǎn)變速度極為緩慢，而馬氏體相變屬于非擴(kuò)散型相變，此時(shí)奧氏體中的碳原子已無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)散，形成過(guò)飽和 固溶狀態(tài)，造成晶格畸變，當(dāng)組織應(yīng)力大于彈簧鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，則發(fā)生開(kāi)裂。
中高碳彈簧鋼的質(zhì)量好壞在很大程度上決定于冶煉工藝，包括鋼的化學(xué)成分，鋼水潔凈度（氣體、有害元素、夾雜物）和鑄坯質(zhì)量（成分偏析、脫碳及其表面狀況)，這幾個(gè)方面正是冶煉操作的關(guān)鍵控制點(diǎn)。另外，彈簧鋼還要求有足夠的淬透性以保證整個(gè)彈簧截面獲得均勻的微觀組織和力學(xué)性能。
4、結(jié)論
�。�1）中高碳彈簧鋼中的非金屬夾雜物、表面缺陷和帶狀偏析是影響鋸片基體使用壽命的主要因素，也是金剛石鋸片基體使用過(guò)程中的主要裂紋源。
�。�2）氧化與脫碳嚴(yán)重、淬火變形大、過(guò)熱和過(guò)燒、發(fā)生回火脆性等是導(dǎo)致金剛石鋸片基體裂紋產(chǎn)生的主要原因。
�。�3）根據(jù)金剛石鋸片基體的材質(zhì)和原始組織、技術(shù)要求，結(jié)合設(shè)備狀況等多方面因素正確地選擇淬火介質(zhì)和淬火方法，并定期監(jiān)測(cè)、調(diào)整其冷卻特性對(duì)金剛石鋸片基體的內(nèi)在質(zhì)量和后續(xù)加工難度至關(guān)重要。 |
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