挤压轮失效分析及热处理工艺改进

失效分析

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第 2卷第 7期 6 20 0 2年 7月

工

程

材

料

Vo _ 2 N O 7 l 6 .

M e h n c l En i e r g c a ia gn e i n

J 1 02 u.2 0

挤压轮失效分析及热处理工艺改进谢冬柏。。王福会。。高飞。张倩茹( .中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，宁沈阳 1 0 1; 1辽 1 0 6

2 .大连铁道学院材料科学与工程系，宁大连 16 2 )辽 1 08摘要：压轮 ( 3钢 )挤 H1的早期破坏是影响连续挤压生产成本及效率的重要因素。对挤压轮

的破坏方式及原因进行分析，究了不同 M/下组织的力学性能，根据挤压轮内外组织的差异，研 B并 对挤压轮的热处理工艺进行了改进，使挤压轮的寿命提高了 15倍。 .关键词：压轮；失效分析；热处理工艺挤中图分类号： 3 5 TG 7文献标识码： A文章编号：1 0一 7 8 2 0 ) 70 2 - 3 0 O3 3 (0 2 O—0 20

Fr c u e Fa l r a t r iu e Ana y i nd t e I pr v m e f H e tTr a m e o l ssa h m o e nt o a e t nt f rEx r s o Fo m i—whe l t u i n r ng eXI D n -a。 E o gb i,W A uh i, O F i,Z AN a -u NG F -u GA e H G Qi r￣ n( . I siu e o e a s a c 1 n tt t fM t l Re e r h,Th i e eA c d m y o ce c s h n a g 1 0,Chn; eCh n s a e fS in e,S e y n 6 1 1 0 ia 2 Dain Ral y I s i t,Dain 1 2 Chn ) . l i a wa n tt e u l 6 8, ia a 10A b t a t S r iel eo h xr so om ig— e li tek yf co,wh c fe t h o t n r d cii s r c: ev c i ft ee tu in fr n wh e s h e t r f a ih afcstec s d p o u t - a v

t f ON OR y o C F M.F i r fb o e xr s n fr n wh e a d t eme h nc lp o e t so i ee

tM/ r al eo r k n e t i omig— e l n h c a i r p r e f f rn B a e u u o a i dfs u i d Ac o d n o t e d fe e tmir s r c u e n t e s ra e a d i n rs g e t h e tte t n e h is o t de . c r i g t h i r n c o t u t r s i h u f c f n e e m n,t e h a r me t t c n c f n a e t so o m i‘ e li p o e . Iss r ie l e i b u WO a d h l i s a o g a h td a twih t eo i i x r in fr n u g wh e si r v d t e v c i a o tt n a ft m f s me sl n s t a e l t h rg— h lt c n c . a e h i s

K e r: e t so o mi— e l r cu efi r n l ss e tte t e ttc n c y wo ds x r in f r n wh e;fa t r al ea ay i;h r m n eh s u g u a a i

1引言 连续挤压方法 ( o t u u x r s n F r n C n i o sE tu i omig n o

热，冷，0℃回火两次，次 2,度为 4油 60每 h硬 2~

4 HRC。挤压轮在工作中受到摩擦扭矩、紧压力 8预、

靴座的压力、应力的联合作用。现场使用情况热

简称 C ONF 能将铝及铜等合金坯料连续地挤 0I M)压成“限长”无的线材、材及各种断面的型材，一管是

表明，挤压铝合金平均寿命只有 2t右，效的其 0左失主要形式是沿径向早期脆性断裂。断口无明显的贝纹线，瓷状，呈是快速扩展的脆性断裂 (图 1。图见 )2是挤压轮破坏的示意图。破坏裂纹源主要产生于

种高质、高效、经济的塑性成形方法。但在生产中常因挤压轮损坏，而降低生产率，使成本提高。改进热处理工艺可有效地提高挤压轮的质量。本工作对挤压轮的失效及其所用 H1 3钢的 M/下组织进行了 B分析，到改进的热处理工艺。得

轮心花键齿根部，径向向边缘处传播。扩展中的沿裂纹在即将到达轮边缘时分叉，部分呈现 Y形，大

直到

裂纹贯穿整个轮子而断裂。可见，压轮的破挤坏主要是由于材料的强韧性不足，纹形成后可快裂速扩展使挤压轮失效。对挤压轮进行金相分析表

2挤压轮的失效分析挤压轮是连续挤压机的主要模具， H1用 3钢( Cr Mo S )造，处理工艺： 0 0真空加 4 5 V1 i制热 12￣收稿日期：0 10 -1修订日期：0 10—8 2 0 -52; 2 0—81作者简介：冬柏 (9 3,,宁营口人，谢 1 7一)男辽中科院金属研究所博士生。

明，由于冷却速度不同，轮子心部为 M/ y组织， B表层为 M组织。可见，据单一 M组织的力学性能，根 选用热处理工艺是不合适的。应该在研究不同组织结构 H1钢力学性能的基础上，用能提高材料的 3选强韧性，制裂纹扩展的工艺。抑

导师：王福会研究员

3试验方法

2 2

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谢冬柏，:压轮失效分析及热处理工艺改进等挤

击韧性用 V型缺 E试样。用 Nep o一0型光学显 l oh t 3微镜， AMRAY 1 0 0 B型扫描电子显微镜进行显微组织分析。

4试验结果及分析4 1淬火温度对 H1 . 3钢力学性能的影响

图 3和图 4表明，随淬火温度的升高，抗拉强图 1挤压轮的纵向断口Fi 1 Ap e a eo r cu e o x r so -o m ig wh e g. p arnc ffa t r n e tu in fr n - e l

度、断裂韧性提高，冲击韧性、断面收缩率降低。由 H1钢的 C F曲线可见， 3 T-淬火温度越高，碳化物析出越早，量越多，且由于过冷度增大，转变充数而 M分，中碳及合金元素含量增加。使抗拉强度升 M

部

高，冲击韧性、断面收缩率降低。另外，的淬火温高度，使晶粒长大，溶碳化物减少，大碳化物消也未粗失，回火后碳化物粒子分布均匀，化物粒子间距增碳大。由 k af公式[可见， rf t 5]当碳化物粒子间距增大时，高了材料的断裂韧性。此外，的淬火温度也提高

图 2挤压轮中裂纹的扩展不意Fi. A c e tcda a h wig t rc r p g t n g2 s h ma i igrm s o n heca k

p o a ai i o n e t so o i - e l x r in fr ng wh e u m

可以减少孪晶 M含量，提高位错型 M量，减少了孪晶 M在形成时的显微裂纹及裂纹尖端的应力集中，也可使材料的断裂韧性提高。45

我们用红外测温仪对截面尺寸为 1mm× 5 1mm的试样表面冷却速度进行了测量，现在 5发8 0以上， 0℃空冷速度可达 5 0/。即试样从炉内 0℃ s

曼\

4 0 35

取出就已经是 8 0左右了， 80一 3 5 ( 8℃由 0℃ 3℃ Ms点 )仅用了约 5s这样的冷却速度只能得到全 M也 0,组织。文献[~4所给出的 H1往往是单一 M 1] 3钢组织的力学性能，获得不同组织结构的 M/为 BF试

3耄} 0}皤趟2 5

2豁 01 5

蔷

样，行等温淬火试验。经 8 0预热，火温度进 0℃淬 10 0,5℃等温分别保持 1、0 3mi空冷。 5℃ 2 0 0 2、0 n后 两次回火，度为 60 60 6 0 60 60,二次温 0、1、2、3、4℃第的回火温度比第一次降低 1℃,次保温 2。H1 0每 h 3钢试样成分见表 1。表 1试验材料成分 (量分数， )质%T b e 1 C mp s t n ft e ma e i l s d i h s a l o o i o so tr as u e t i i h n兰E

图 3淬火温度对抗拉强度、断面收缩率的影响Fi.3 Efe to u tn t ig tmp r t r n tnsl te g g fc fa se ii n e e a u eo e i sr n h z e a d p r e a e rd to ra (e e r t6 0 ) n e cnt e ucinofa e tmp e a 2℃ g d

毒山

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锻坯经球化退火后，械加工到金相、机冲击、拉伸、裂韧性试样的毛坯尺寸，不同的热处理，断经最后磨削至最终试样。为防止试样氧化和脱碳，试样用硅

酸钠+碳粉的混合物覆盖保护。 拉伸试验用夺0 1mm试样，裂韧性 (断 K )用 10 0 mm￣2mm×1mm的标准三点弯曲试样， 0 0冲图 4淬火温度对冲击韧性、断裂韧性的影响Fi. Efe tofa se iiig t mp r t r n i a tt u hn s g4 f c u t ntzn e e a u eo mp c o g e s a d i p c o gh s (e p r t6 O℃ ) n m a ttu ne s tm e e a 2 d

4 2等温时间、火温度对 H1 .回 3钢力学性能的影响

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谢冬柏，:等挤压轮失效分析及热处理工艺改进图 5表明， 5℃淬火试样经不同的等温处 100理，其等温时间在≤ 2ri 5 n内显示出最高的冲击韧 a∞ 如 加 性值； 0℃淬火时最低，动性也最大， 2. 110波在 95 J c~ 1.Jc/m2 64/m2之间变化； 2￣火的变化幅 100 C淬度最小， 3 .J c 2变为 3 . J e 2由 9 7/ m 5 7/r。在不同淬火 a犀斗}|量

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温度下，冲击韧性都随等温时间的延长而下降。

图 6不同淬火等温时间与回火温度对冲击韧性的影响Fi. Efe to odng tmea 5 ( n i a c o g e s g6 fc fh li i t2 0" o mp tt u hn s 2 o 1 t e,a trtm p r tv no s tm p r t e fH 3 se l fe e e e a a u e e aurs d ( u tntz d a 5℃ ) a se iie t10 0

与B T相对含量对力学性能的影响，先生成的 B 是 T

对晶粒的细化和 M形态综合作用的结果。图 5不同淬火温度与等温时间对冲击韧性的影响Fi 5 Efe to odngtmea 5" o mp c o g ne so g. fc fh li i t2 0C n i a tt u h s f H 1 t e,a tra s e t e tv ro e p r t r s 3 se l fe u tniid a a iustm ea u e z (e e rd a 2 tmp e t6 0℃ )

断裂韧性随等温时间的延长、回火温度的升高

而降低 ( 7。

图 8表明， 5℃淬火未经等温试图 ) 100样的断口特征是准解理型，较多韧窝和较发达的有撕裂棱，而在 2 0经等温 l mi理的试样断口 5℃ O n处

从显微组织来看，随淬火温度的升高，氏体晶奥粒粗化，相界面减少，位界面上在塑性变形中所承单

为明显的解理与局部的小韧窝混合型，温 3mi等 0 n试样其断口呈现出很明显的解理状断口的特征。85 E 8 O

受的应力集中幅值上升，而加速裂纹的萌生与扩从

展，冲击韧性降低。但同时，的淬火温度可以增使高加残余奥氏体、错型 M含量，余奥氏体绝大部位残分分布在 B的板条之间，一种对韧性贡献较大 T是的分布形式，使裂纹前端钝化、岔以及在塑性区能分诱发 A-相变来吸收能量[,冲击韧性升高。 M 6使] 淬火温度高时，粒粗化的作用占主导地位。晶 随等温时间的延长，成的 B分割原奥氏体晶粒，形 T 细化晶粒效果明显，冲击韧性上升。但长时间的使等温，得基体组织由原 M转变为 B这样的组织使 T,高温回火后，素体再结晶长大比 M容易，碳体铁渗

皇7 57 0

曩5 6。55

豁 5 O

图 7不同淬火等温时间与回火温度对断裂韧性的影响Fi. Efe to odig tmeat2 0 oni a c o h es i g7 fc fh l n i 5℃ mp ttug n s n

H 1 t e,a t rt mp r tv no e p r t r s 3 se l fe e e e a a ustm e a u e d( u t ntz t1 0 0 ) a se iie a 5℃ d

也更粗大化，使裂纹扩展功下降，冲击韧性降低。 H1经 10 0 3钢 5o C淬火、4℃回火后的冲击韧 60性最高 ( 6。这是由于两次高温回火后，中残图 )钢

5热处理工艺的改进与生产应用等温时间不同， B M/ T的组织结构也不同。等温时间越长，下的含量越多，而等温时间由短到 B因

余奥氏体量急剧下降，碳化物含量急剧上升，弥散分布的细小碳化物，冲击韧性的提高起到了主要作对用。另外，体中长大的 a相塑性的提高对韧性也

基具有良好的作用。回火温度较低时，冲击韧性受淬火组织状态的影响明显，时残余的奥氏体及基体此中的 a相还没有充分回复、大。对于未经等温处长理的试样， 60回火比 6 0回火的冲击韧性其 0℃ 2℃值要低。但经 5 2 mi温的试样在 60回火￣ 0 n等 0℃比 6 0回火的数值要高，种变化反映出钢中 M 2'￣这

长所对应组织的力学性能与挤压轮从表面到心部组织力学性能的变化是一致的。经 10 0淬火、 5℃ 60回火的不同组织结构试样， 10 0淬火、 2'￣与 2℃ 60回火处理相比，击韧性好，度适中，性 0℃冲强塑好，断裂韧性值高，有挤压轮所要求的强韧性。据具此，们得到了改进的工艺，生产考核，提高挤我经可压轮的寿命 15倍 (表 2。 .见 ) (下转第 3 2页)

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吴庆定：F - - -nC - eMoMnS~ eC烧结合金体系与强化烧结工艺研究~

6结论() 1适量的 Mn S、、n混合稀土和氨燃烧氮基保护气氛均可加速 F - - - nC - eMoMn S— eC系烧结合金的烧结进程，低其烧结温度，且具有协同、加强降而叠化效果。 ( )适量的混合稀土对 F - -— nC - 2 eMoMn S - eC系

1 H。的氨燃烧氮基保护气氛中的合适烧结温 O

度范围为 1O 5 10 5, F - -—的烧结温 2~ 7℃比 eMoNi C

度低 1O 10;样 3成分合金的物理力学性能 2~ 8℃试达到或超过了 F - -— eMoNi C烧结合金，使用性能其明显优于 4@钢，与 F - -— 0可 eMoNi C烧结钢媲美， 其性能价格比优于 F - -— eMoNi C烧结钢，有推广具价值。参考文献：[ 3韩凤麟 . e 1 F- C混合粉的混合制度探索[] J .粉末冶金技术，1 9 11 2) 1 5 1 8 9 3, (: 1— 1 .

烧结合金具有脱氧保碳、变质夹杂物、化晶粒之作细用；恰当的 Mn S、 n配比对无镍 F - - - n C - eMoMnS - eC

烧结合金有较强的固溶强化作用；富氮的氨燃烧保护气氛可提高烧结热效率、善烧结

合金表层脱碳改状况、低烧结活化能。降 ()F - - -nC - 3 eMoMnS - eC系烧结合金在含 5(上接第 2 4页 )

[]吴庆定， 2等.氨分解燃烧氮基烧结气氛的应用研究[]第一 A.届国际机械工程学术会议 (C 2 0 ) I ME 0 0论文集E .北京： c]机械工业出版社， 0 0, 8 . 20 29

表 2不同热处理工艺挤压轮的寿命Ta l T e s r iel e o x r so f r ig— e l n e be2 h e vc i fe t u in o m n wh e su d r fdi e e atte t e o ii n f r nthe r am ntc nd to s

I]二I

6结

论

( )挤压轮的早期破坏，由于裂纹的快速扩 1是展而引起的脆性断裂。 ( )H1作为连续挤压机挤压轮用钢，荐 2 3钢推热处理工艺： 5￣淬+ 6 oC回火两次，次 1 0 0C油 2"每2 h。( ) 1 m i b 0 n

参考文献：何建明. 3作模具钢的热处理及其力学性能『] H1热 J .热加工工艺，9 0,6:7 8 19 ( ) 4—4 .

刘以宽.H 3 1钢铝合金铸模的研制和使用[] J。金属热处理，19 (:—5. 9 0, 2) 51 5

刘以宽，李润宝.热作模具的选材及 H1钢的应用E i 3 l.上海金属，9686:3 2. 18,()1~ O( ) 3 mi c 0 n

刘静安.预处理工艺对 4 rMo i C 5 SV1钢组织与力学性能的影

图 8 H1 3钢在 2 O(不同保温时间拉伸断口形貌 5' 2( 5℃淬火， 2℃回火 ) 10 0 60Fi. SEM rc o a h r m e so p cme s g8 fa tgr p sfo t n in s e i n

响 I1轻合金加工技术，9 9 2 ( 2: 3 2 . l. 19,7t)2 - 6杨永俐，庆昌，晓曾.热处理制度对 4 5 SV1钢显微盂冯 CrMo i

组织和机械性能的影响I1 l .金属热处理，9 0 ( ) 2~3 . 1 9,6:8 2 宋武林，刘树德，林颜盛 .贝氏体组织中的残余奥氏体回火转

o 1 te odngv rou i fH s e lh li a i s tme 3 ( )0 m iu e ( a nt b)1 iuts ( )3

nue t2 0℃。 0m n e c 0 mi tsa 5 a trau tniie t10 0℃ ( e p r d a 2℃ ) fe se t d a 5 z tm ee t6 0

变及其对钢的强韧性的影响[] J.机械工程材料，99 1( ) t8,3 2:2 O一 2 2

3 2