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              雙金屬帶鋸條表面裂紋分析

              更新時間:2018-09-05 16:12:10 瀏覽次數:4242次 編輯:admin

              雙金屬帶鋸條是由高速鋼和合金彈簧鋼經真空電子束焊接后,再經過一系列冷、熱加工工序制造的先進復合鋸切下料工具。雙金屬帶鋸條是靠張緊于帶鋸床兩個主、從動輪上,作扭轉45°~90°的環行運動。在實際使用中,該雙金屬帶鋸條處于周期性的拉伸、沖擊、彎曲以及扭轉復雜應力狀態,此外,還處于含6%HC-1鋸床切削乳化劑水溶液中,服役條件惡劣,因此要求雙金屬帶鋸條的刃尖切削與耐磨性能好,基體強度與抗疲勞性能高。

              雙金屬帶鋸條基體材料為Rm80超高強度鋼。熱處理是在高純N2氣氛中進行1190℃奧氏體化,在-60℃冷卻箱中分級淬火,較后經510℃×2h兩次回火處理和530℃×2h一次回火處理。

              今年,雙金屬帶鋸條曾發生小批量質量問題,即在基體表面過早地出現疲勞裂紋,見圖1。為此,對雙金屬帶鋸條基體表面裂紋的形成原因進行了檢測分析。

              2 檢測儀器

              在德國NEOPHOT21顯微鏡上進行表面裂紋宏觀觀察,在POLYVAR光學顯微鏡及其附件Mef3顯微硬度儀上進行組織觀察與顯微硬度測量,在日本JSM25600LV掃描電鏡(SEM)及能譜儀上進行斷口形貌觀察與能譜分析(EDS)。

              3 檢測結果

              3.1 常規硬度與顯微組織

              對雙金屬帶鋸條基體表面裂紋附近區域進行了硬度測定,結果為557HV,比常規生產檢驗結果略有提高,但仍在技術要求允許的范圍內。光學顯微鏡下觀察,其組織為回火馬氏體+少量的細小碳化物顆粒,也符合技術要求,見圖2。

              3.2 表面裂紋宏觀形貌

              雙金屬帶鋸條基體表面裂紋宏觀形貌見圖1所示。從圖中可以看出,裂紋基本上是沿著與雙金屬帶鋸條長度方向相垂直(略偏離垂直方向3°~5°,見圖1中的位置標記1,2和3)的方向擴展,且裂紋均出現于基體表面缺陷部位。觀察結果表明,已存在的表面缺陷與疲勞裂紋過早形成有著因果關系。

              3.3 斷口形貌與能譜分析

              在虎鉗臺上沿表面裂紋擴展方向將基體垂直掰斷,制取疲勞斷口樣品。在掃描電鏡上對疲勞斷口形貌特征進行了觀察與分析,圖3a~d為典型的斷口形貌特征。從掃描電鏡照片中可以看出,裂紋起源于基體表面上的圓弧狀微凹坑(圖3a),微凹坑深度為0.013mm(圖3b)。對微凹坑區域進一步放大(圖3c),可看出微凹坑表面形貌呈凹凸不平的丘嶺狀。對微凹坑表層進行能譜分析(見圖3c中的標記點a和b),分析結果見附表與圖4??梢?,微凹坑表層是Al,Fe,C和O元素的富集區域,此外還含有Mg,Si,Cu和S等元素,由此可推測出微凹坑表層主要是由Al2O3和Fe2O3等氧化物組成的夾雜富集區域。

              從凹坑表層向基體內部,疲勞斷口形貌特征依次可分為三個區,從微凹坑表層開始的平面無特征區(見圖3a中的標記Ⅰ與圖3b),深度約0.08mm;;沿晶開裂區(見圖3a中標記Ⅱ與圖3b),該區域深度約0.10mm,在該區域的后期可以看到晶界上存在腐蝕產物(見圖3d),其是切削液介質與疲勞應力同時作用下的腐蝕疲勞階段;較后是由沿晶開裂向穿晶開裂過渡的機械疲勞擴展階段(見圖3a中的標記Ⅲ及圖3d)。

              4 討論

              雙金屬帶鋸條基體的疲勞斷口形貌觀察以及能譜分析結果表明,基體表面存在著含Mg,Si,Cu和S等元素的Al2O3和Fe2O3復合氧化物夾雜組成的微凹坑,是表面裂紋形成的主要原因。表面微凹坑的產生,可能是基體合金在煉鋼中使用的脫氧劑、保護渣或熱軋過程中產生的氧化物等夾雜殘留于基體中,隨后冷軋時,由于夾雜物與基體之間熱膨脹系數相差較大以及界面結合力不強,導致變形不協調,結果在鋼帶表面產生了微凹坑缺陷。微凹坑可以看成微裂紋,可引起局部應力集中。較初,由于微裂紋尺寸小,應力強度因子K低,故微裂紋擴展緩慢。在隨后的鋸切中,由于應力和腐蝕介質(主要是水溶液的作用)的聯合影響,裂紋在以應力腐蝕為主的、腐蝕疲勞機制協同作用下擴展,相應的斷口形貌特征為沿晶開裂。隨著裂紋進一步擴展,應力強度因子K也隨之增大,應力腐蝕作用相對減弱,腐蝕疲勞機制占主導,相應的斷口形貌特征為沿晶開裂向穿晶斷裂方式的過渡。鋸切試驗表明,裂紋源通常萌生于基體表面,并且疲勞裂紋形核壽命約占雙金屬帶鋸條總使用壽命的55%。由此可見,基體表面質量是影響雙金屬帶鋸條使用壽命的重要因素之一。

              5 結論

              雙金屬帶鋸條基體表面存在著含Mg,Si,Cu和S等元素的Al2O3和Fe2O3復合氧化物夾雜組成的微凹坑,其是形成表面裂紋的主要原因。

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