分享：轧机飞剪剪刃断裂原因

摘 要:采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜及能谱分析、金相检验、硬度测试等方法对轧机 飞剪剪刃的断裂原因进行分析。结果表明:飞剪剪刃的断裂原因与其使用过程中剪刃口接触轧材 区域产生的热疲劳有关。 

关键词:轧机;飞剪剪刃;断裂;热疲劳 

中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)04-0043-03

飞剪是重要的轧材剪切设备,其中剪刃是飞剪 设备中的重要部件,因其工作条件特殊,对飞剪剪刃 材料的性能要求非常高,既要有很高的强度、硬度以 及耐磨性,也要有一定的韧性。目前,一般使用工模 具钢制造飞剪剪刃。某高速线材轧机在生产过程 中,其1# 飞剪剪刃发生断裂,造成产线紧急检修并 更换剪刃。笔者采用一系列理化检验方法对该轧机 飞剪剪刃的断裂原因进行分析,以防止该类问题再 次发生。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察

断裂剪刃局部和完好剪刃整体宏观形貌如图 1所示,断裂发生在两个固定孔之间。剪刃沿垂直 于刀刃方向断开,断口表面较为平整,断裂源位于 剪刃的刀刃处,断裂源附近断口表面有明显的裂 纹扩展纹路,断裂源附近存在明显的烧蚀变色区 域(见图2)。

1.2 化学成分分析

使用直读光谱仪对飞剪的断裂剪刃试样进行化 学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:剪刃的 化学成分符合技术要求。

1.3 金相检验 

在飞剪剪刃断裂源附近外表面制取金相试样, 将试样横向磨抛并腐蚀后,置于光学显微镜下观察, 发现断裂源附近外表面烧蚀变色区域存在“龟裂”现 象,裂纹缝隙内存在少量灰色氧化物(见图3)。剪 刃正常处显微组织形貌如图4所示,远离断裂源处 的正常基体表面未发现裂纹等明显缺陷,基体组织 为马氏体。

1.4 扫描电镜(SEM)和能谱分析 

对剪刃断裂源附近表面“龟裂”处裂纹缝隙内的 灰色氧化物进行扫描电镜和能谱分析,结果如图5和 表2所示。由表2可知:其主要含有Fe、O、Cr等元 素,说明灰色氧化物为氧化铁和氧化铬的混合物。

1.5 硬度测试 

使用洛氏硬度计对飞剪剪刃断裂源附近外表面 进行硬度测试,其洛氏硬度约为52HRC;对远离断 裂源部位进行硬度测试,洛氏硬度约为61HRC。

2 综合分析 

断裂试样为飞剪剪刃的一部分,断裂发生在两固 定孔之间,剪刃沿垂直于刀刃方向断开,断口表面较为 平整,断裂源位于剪刃的刀刃处,断裂源附近断口表面 存在明显的裂纹扩展纹路,断裂源附近存在明显烧蚀 变色区域。结合飞剪的工作环境及受力状态可知:断 裂源位于剪刃中部区域,该区域为飞剪剪刃在剪切高 温状态轧材时受力最集中,且受高温影响最明显的区 域[1],烧蚀变色的原因为该区域长期受高温影响。 

金相检验发现,断裂源附近外表面烧蚀变色区 域存在“龟裂”现象[2],裂纹缝隙内存在少量灰色氧 化物,能谱分析结果表明,该灰色氧化物为氧化铁和 氧化铬的混合物。远离断裂源处的正常基体表面未 发现裂纹等明显缺陷。飞剪剪刃断裂源附近外表面 的洛氏硬度约为52HRC,远离断裂源部位的正常 基体洛氏硬度约为61HRC,说明剪刃的硬度超出 了技术规范的范围,而硬度差异较大可能与断裂源 附近长期受高温影响,导致组织产生了变化有关[3]。

飞剪剪刃断裂源附近外表面烧蚀变色区域存在 “龟裂”现象,且裂纹缝隙内存在氧化铁和氧化铬等 氧化物,该特征为典型的金属热疲劳[4],热疲劳是由 飞剪剪刃工作时受温度梯度影响引起的。剪刃在工 作时(剪切轧材时)接触高温轧材,使剪刃口断裂源 处很小的区域急剧升温,剪切结束后又急剧降温,剪 刃口断裂源处的热量很难向剪刃其他区域传导,使 远离剪刃口的其他区域温度较低。在剪刃内部产生 热应力(温差应力),随着温度的反复变化,热应力也反复变化,从而使剪刃口断裂源区域出现疲劳损伤, 进而产生裂纹缺陷(即“龟裂”现象),在后续的使用 过程中,裂纹不断受力扩展,最终导致剪刃断裂,且 飞剪剪刃高硬度、低塑性的特点对热疲劳现象的产 生及裂纹的扩展也有一定的促进作用[5-7]。适当降 低飞剪剪刃的硬度及改善剪刃工作时的冷却条件, 能避免热疲劳现象的发生。 

3 结语和建议 

受高速线材产线设备及工艺要求的限制,改变 飞剪剪刃工作时的冷却条件较为困难。建议在剪刃 的生产过程中,适当提高淬回火热处理工序中的回 火温度,降低成品剪刃的硬度,将硬度控制在技术要 求范围内。 

参考文献: 

[1] 贾宪,陈延伟,马立峰,等.滚筒式飞剪剪切断裂过程 综合分析[J].热加工工艺,2015,44(21):98-101, 106. 

[2] 陈剑虹,涉泽明秀,汪学阳,等.减少压铸模裂纹的工 艺研究与应用[J].特种铸造及有色合金,2020,40 (8):851-853. 

[3] 王建平.回火温度对新型模具钢组织和性能的影响 [J].热加工工艺,2015,44(4):213-215. 

[4] 王要利,宋克兴,张彦敏.热作模具钢热疲劳行为的研 究现状[J].材料热处理学报,2018,39(4):1-13. 

[5] 吉田润二,于红.抗热疲劳裂纹新型热作模具钢的开 发[J].模具制造,2021,21(11):79-83. 

[6] 张旭,何文超,李东辉,等.热作模具钢热疲劳机理及 性能改善的研究现状[J].金属热处理,2020,45(9): 10-20. 

[7] 李健,钱大华.3Cr2W8V钢热应力疲劳探讨[J].物理 测试,1986,4(2):4-6. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 4期 (pp:43-45)>