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浅析金刚石锯片基体裂纹常见的几个原因

http://www.momo35.com   来源:超硬天地  日期:2017/09/01

文/何煌、王文

  
  近几年来由于建筑业的发展,带动了我国建材工业的发展,广阔的市场容量使得对金刚石锯片基体用钢的需求量大大增加。目前我国金刚石锯片基体用钢仍有20%依赖于进口,而国内生产的金刚石锯片用钢的使用质量还远远满足不了市场的要求。
  
  国内金刚石锯片基体用钢以中高碳弹簧钢为主,因其具有优越的切削性能和耐磨损性能,被广泛用于石材加工、公路及机场建设等。但是由于锯片基体用钢自身合金元素的特性,给实际生产和使用带来了诸多问题,如热处理变形大、硬度不均、裂纹等。金刚石锯片基体用钢产生裂纹的因素诸多,主要影响因素有:钢的化学成分、原材料缺陷、钢的原始组织、加热因素、冷却因素、锯片特有的结构特点等,导致片体端面分布各种应力聚集,尤其是周边的拉应力大大增加都是形成裂纹的潜在因素。由于影响锯片基体用钢产生裂纹的因素多种多样,本文主要从以下三个方面来分析金刚石锯片基体产生裂纹的原因以及金刚石锯片基体失效机理。
  
  1、金刚石锯片基体材料缺陷引起的裂纹
  
  目前金刚石锯片基体用钢以中高碳弹簧钢为主, 中高碳弹簧钢材料中非金属夹杂、组织不均、微裂纹和表面缺陷等均可成为疲劳裂纹的可能源区,而促使锯片基体发生早期失效。中高碳弹簧钢中的非金属夹杂物、表面缺陷和带状偏析是影响锯片基体使用寿命的主要因素,由于金刚石锯片基体表面有麻坑、缺陷或次表层有密集分布的碳化物粒子或带状偏析,这些作为疲劳源从而促进了锯片基体发生疲劳失效。另外由于材料断裂韧性低,这就促使锯片基体过早地发生疲劳断裂。
  
  1.1  非金属夹杂物
  
  金刚石锯片基体用钢中非金属夹杂物主要是在冶炼过程中产生的Al2O3 和TiN等夹杂物。它们对疲劳性能的影响一方面取决于夹杂物的类型、数量、尺寸、形状和分布;另一方面受锯片钢基体组织和性质制约,与基体结合力弱的尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物的危害最大。而且,中高碳弹簧钢的强度水平愈高,夹杂物对疲劳极限的有害影响也愈显著。
  
  1.2  表面缺陷
  
  表面质量问题主要分三类:一是明显的轧制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分划伤翘皮,主要由于轧钢设备陈旧、精整设施落后和孔型设计调整不到位引起的。另外坯料表面修磨不当,产生尖角棱子及凹坑划伤,经轧制后也易形成折迭缺陷;二是表面裂纹,它在钢材表面呈纵向连续或断续分布,主要是由于坯料残存的裂纹和皮下缺陷引起的,乳制应力及冷却不当也会产生表面裂纹;三是表面划伤及翘皮,这与工装条件及操作不当有关,在打包、运输过程中也会产生擦伤。它们的存在必然是材料产生失效的起源点,易直接导致材料断裂。但对于局部较小的凹坑、划伤、疤皮、麻点等缺陷,人们一般不太重视,它们的存在有的虽是标准允许的,不会成为失效的主因,但它们存在的区域肯定是材料的薄弱部位,在材料整体塑性不好时它们也会成为开裂的突破口。由于在失效时小缺陷已受到破坏或取样时未检验到具体部位,所以失效分析中往往忽略了这一因素。
  
  1.3  带状偏析
  
  在利用连铸生产中高碳弹簧钢时有时会出现负偏析带(白亮带),负偏析主要是由于电磁搅拌不当或冷却过程不稳定造成的。凝固过程中不可避免存在选分结晶。碳在铁中的偏析系数K值为0.13,由此可计算出如碳含量为0.55%左右的钢液开始结晶时的枝晶干上碳含量Cs为0.0715%;在电磁搅拌的作用下,树枝晶将被切断,一部分被切断的枝晶将被溶化,剩余部分枝晶将被搅拌旋流逐渐旋至中心附近形成晶核,使部分钢水先凝固形成负偏析;另一方面,在连铸工艺中,中心疏松和偏析不可能完全消除,因为连铸坯在凝固过程中总存在周期性的树枝晶搭桥现象,在搭桥处由于优先结晶,也形成负偏析。
  
  负偏析处由于碳含量较低,在硫印和酸浸低倍试片上呈白亮线条,在热加工后仍然可能保留下来。由于经过变形,热加工后在截面上表现为宽度很窄的白亮条带状。具有带状偏析的弹簧钢,在淬火加热时,在奥氏体相区,带状铁素体的周围碳原子将向内部扩散,但是由于加热保温时间较短,而且Si、S偏析对碳原子的阻碍作用,原负偏析带状铁素体内的碳原子浓度仍低于周围组织的碳含量。经过淬火后,带状偏析组织形成含碳量低于周围的马氏体组织,经过回火后形成碳含量低于周围组织的白亮带状回火索氏体。
  
  在原材料中存在带状偏析,会严重的影响到金刚石锯片基体用钢的疲劳寿命。这是因为在循环载荷下,金刚石锯片基体用钢中的游离带状组织由于强度相对较低,很容易产生疲劳裂纹源,当裂纹在外力作用下扩展到一定程度后则锯片基体就会失效。
  
  另一方面,带状偏析导致在加热过程中合金含量低的带内晶粒易于粗化,形成粗大的晶粒;合金含量高的带内存在大量的细小的合金碳化物,阻碍了晶粒的长大而获得细小的晶粒。淬火加热时带状铁素体周围的碳原子向其带内扩散,但由于加热温度不太高,加热时间较短,加上Si源子的阻碍,原铁素体偏聚区的奥氏体与周围的碳原子未能达到均匀,淬火后导致马氏体转变的不同,致使在带间产生大的组织应力。
  
  研究发现,马氏体相变时的组织应力与晶粒尺寸有密切关系,粗大的晶粒增大了淬火裂纹的倾向;同时,在淬火的过程中,非金属夹杂物沿晶界偏聚呈带状分布,该类夹杂物质软,与基体结合强度差,破坏了锯片基体的连续性,导致大晶粒的晶界弱化和变形协调性较差,致使晶界应力集中。所以在应力的作用下,脆性相和带状夹杂物成为裂纹的发源地,促进淬火裂纹形成并迅速扩展,扩展到纵向中心线附近时,变形受到约束,从而以裂纹的形式释放应力,诱发淬火裂纹的产生。
  
  2、热处理工艺不合理引起的裂纹
  
  在锯片基体的生产中,热处理工艺不合理是导致金刚石锯片基体裂纹产生的主要原因。热处理工艺不 当主要表现为氧化与脱碳严重、淬火变形大、过热和过烧、发生回火脆性等。其造成热处理裂纹主要是由于中高碳弹簧钢加热温度过高、保温时间过长,使得组织中的奥氏体晶粒粗化,淬火后马氏体针粗大,导致弹簧钢内应力与脆性增大,从而形成热处理裂纹, 热处理造成金刚石锯片基体用钢裂纹缺陷在金相显微镜下观察一般呈沿晶断裂特征。
  
  2.1  氧化与脱碳
  
  金刚石锯片基体在空气等氧化性气氛中加热时表面容易发生氧化。氧化使锯片基体表面粗糙度增加, 精度下降,而且基体表面氧化皮往往是造成淬火软点 和淬火开裂的根源,使基体强度降低。因此中高碳弹簧钢在加热时,在保证组织转变的前提下,加热温度应尽可能低,保温时间应尽可能短。
  
  中高碳弹簧钢表面氧化的同时一般都伴随表面脱碳,脱碳是金刚石锯片基体常见的表面缺陷,对基体 的使用性能有显著影响。弹簧钢材表面脱碳0.1mm就会使其疲劳极限显著下降。而且,随着基体表面脱碳层深度增加,疲劳寿命显著下降。特别是锯片基体表面脱碳层出现铁素体可降低疲劳极限50%。由于脱碳,基体的表面硬度下降,在交变应力作用下容易产生裂纹,使金刚石锯片基体过早疲劳失效。
  
  含碳量越高,加热温度越高、保温时间越长,基体的脱碳倾向越大,而且不同含碳量的锯片基体用钢脱碳后,其微观组织亦不同。当金刚石锯片基体用钢表面氧化脱碳以后,表层的硬度和强度降低,容易产生裂纹,甚至产生断裂。另外,表面层不同部位淬火时膨胀系数不同,引起应力集中,致使锯片基体全脱碳层与部分脱碳层之间的过渡区产生微裂纹,这些可见的或不可见的微裂纹成为应力集中区,并作为裂纹继续发展的起源,引起基体的失效或断裂。因此,应当限制金刚石锯片基体的脱碳层深度。
  
  2.2  淬火变形
  
  对于用中高碳弹簧钢作基体材料的金刚石锯片,要达到基体的弹性极限和硬度指标,其热处理方式应采用淬火+中温回火。但金刚石锯片基体淬火有个非常突出的特点,那就是淬火变形量和开裂倾向性大。
  
  产生变形的原因有:加热无论是空气还是盐浴,热量的对流或多或少都会对片基产生冲击而造成加热变形。由于其截面各部分冷却速度不同而造成温度差异,引起钢的体积收缩不均匀,从而导致热应力的形成;另外在淬火时,钢的过冷奥氏体向马氏体转变过程中伴随有比容的变化而造成组织应力形成的相变变形等。由于基体是薄片件,面积大而厚度薄,其直径从Φ300~2200mm,而厚度一般只有2~10mm,如此大的薄片件淬火时的热处理变形和开裂正是基体热处理的难点。如何减少淬火变形和开裂的控制以满足基体平面度和硬度的要求是金刚石锯片基体热处理的关键。
  
  2.3  过热和过烧
  
  金刚石锯片基体在萍火加热时,由于加热温度过高或保温时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷称为过热。过热的锯片基体在淬火后得到粗大的粗针状马氏体组织,为淬火过热组织,易于引起淬火裂纹。因此淬火过热的锯片基体强度降低,尤其是冲击韧性、塑性显著下降,易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间来补救。严重的过热可采用完全退火或正火使晶粒细化。
  
  若淬火加热温度太高,使奥氏体晶界局部熔化或发生晶界氧化的现象称为过烧。过烧使金刚石锯片基体性能严重恶化,极易产生热处理裂纹,所以过烧是不允许的热处理缺陷,一旦出现过烧则无法补救,只好报废。
  
  2.4  回火脆性
  
  热处理(主要是回火)脆性是中高碳弹簧钢发生裂纹的另一个主要原因。中高碳弹簧钢的回火脆性通常是指在350 ~ 550°C临界温度范围内加热或缓慢冷却时所显示出来的脆性,此时冲击转变温度趋于较高范围,脆性特征为中高碳弹簧钢经350~550°C温度范围回火以后,组织沿着原始奥氏体晶界断裂和杂质在晶界的偏聚,降低了在室温下的冲击值和KIC值。中髙碳弹簧钢对回火脆性的敏感性受在临界温度范围内停留时间、合金成分和杂质含量水平的影响。
  
  中高碳弹簧钢在350~550°C温度范围内长时间加热,或在这一温度范围内缓慢冷却时,对产生脆性是敏感的。由于中高碳弹簧钢中加人了1%~ 2%左右的Mn,因而具有过热敏感性和回火脆性倾向,其回火温度范围正好处于第一类回火脆性和第二类回火脆性结合处,如果不能及时回火、保温和冷却,就会使弹簧钢产生脆性。
  
  3、淬火介质选择不当引起的裂纹
  
  当弹簧钢含碳量<0.20%,一般形成板条状马氏体,它具有良好的塑性和强度。当含碳量达0.60% 时,形成针状马氏体,硬而脆。含碳量在0.20% ~0.60%之间,则形成两种马氏体的混合组织。中高碳弹簧钢随含碳量的增加,针状马氏体越来越多,板条状马氏体越来越少。显然当中髙碳弹簧钢含碳量增加后,由于针状马氏体塑性差,在马氏体转变过程中,产生的组织应力会导致淬火裂纹,因而在马氏体开始转变温度以下要求慢冷。
  
  由各种弹簧钢的过冷奥氏体转变曲线和端淬曲线可知,中高碳弹簧钢的马氏体形成温度一般在300°C左右。因此合适的冷却介质应在鼻尖处达到最大冷却速度而在300°C以下有适当的的冷却速度,以使过冷奥氏体不致形成珠光体类型或贝氏体类型的组织。
  
  如果淬火介质在马氏体开始转变温度以下冷速过 快则开始有细小针状马氏体出现,淬火变形量急剧上升。由于表面和心部组织转变的不同时性,当表面已形成坚硬的马氏体后,内部也发生了马氏体转变,由于马氏体比容大,体积膨胀,因而使表面层受到很大拉应力,当拉应力超过钢的屈服极限时,则产生由表向里的纵向裂纹。而弧形裂纹则出现在工件的凹槽,孔眼处。此时的裂纹主要是由组织应力引起的,同时伴有热应力和形变(剪切)应力。
  
  由于在冷床上滞留时间过长、冷却速度太快,钢中许多残留奥氏体在Ms点以下转变为马氏体,由于温度低热力学条件差,转变速度极为缓慢,而马氏体相变属于非扩散型相变,此时奥氏体中的碳原子已无法进行扩散,形成过饱和固溶状态,造成晶格畸变,当组织应力大于弹簧钢的屈服强度时,则发生开裂。
  
  中高碳弹簧钢的质量好坏在很大程度上决定于冶炼工艺,包括钢的化学成分,钢水洁净度(气体、有害元素、夹杂物)和铸坯质量(成分偏析、脱碳及其表 面状况),这几个方面正是冶炼操作的关键控制点。另外,弹簧钢还要求有足够的淬透性以保证整个弹簧截面获得均匀的微观组织和力学性能。
  
  4、结论
  
  (1)中高碳弹簧钢中的非金属夹杂物、表面缺陷和带状偏析是影响锯片基体使用寿命的主要因素,也是金刚石锯片基体使用过程中的主要裂纹源。
  
  (2)氧化与脱碳严重、淬火变形大、过热和过烧、发生回火脆性等是导致金刚石锯片基体裂纹产生的主要原因。
  
  (3)根据金刚石锯片基体的材质和原始组织、技术要求,结合设备状况等多方面因素正确地选择淬火介质和淬火方法,并定期监测、调整其冷却特性对金刚石锯片基体的内在质量和后续加工难度至关重要。
 
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