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    圓盤剪H13剪刃裂紋及崩刃分析

    2018-11-22 13:35  瀏覽次數:
    中厚板剪切剪刀 (刃 ) 傳統通用材料為 5CrW2 Si和 6CrW2 Si,而在國內外模具業廣泛使用的高強性熱作模具鋼 H13 〔美國 ASTM 標準 ,其近似鋼號 :中國 4Cr5MoSiV1 ( GB ) ;德國 1. 2344
     第 13卷第 6期
    2007年 12月 
    寬厚板
    W IDE AND HEAVY PLATE
    Vol. 13. No. 6 December 2007 ·43·
    (W - Nr) ; 法國 X40CrMoV5 (NF) ; 日本 SKD61 (J IS) ;俄羅斯 ( ГOCT) 4X5MΦ C〕因其具有優良的熱強性、熱疲勞性以及綜合力學性能近年來被廣泛推廣應用到冶金剪刀 (刃 )制造業 ,特別是在中厚板生產中取得了良好的使用效果。某中板廠在其圓盤剪試用 H13 鋼剪刃過程中發生了剪刃刃口裂紋和掉塊崩刃的現象。為分析剪刃失效原因 ,特選取其中一片上剪刃進行裂紋及崩刃分析 , 以找出裂紋和崩刃形成原因 ,提出預防措施避免以后剪刃成批報廢。

    2 檢測結果與分析

    首先 ,調出當時生產紀錄 ,同時對此次試用的全部 4片圓盤剪剪刃進行外觀尺寸和表面硬度檢查復測 ,并將崩刃的圓盤剪剪刃取樣 ,分別進行裂紋斷口宏觀和微觀檢驗分析。
    2. 1 剪切生產紀錄及剪刃外觀檢查
    2. 1. 1 剪切生產紀錄
    此批 4片試用剪刃為首次使用 ,已剪切 Q235
    和 Q345 (厚度 10~25 mm)普碳鋼板多批 ,合計約
    7 000 t,此次崩刃發生在常規剪切厚度 20 mm的 Q235B鋼板 ,此前剛剛剪切完成一批 (20塊 )厚度
    16 mm的 Q345鋼板。
    2. 1. 2 外觀尺寸和表面硬度檢查復測
    復檢和剪前入庫檢驗結果相同 ,外形幾何尺寸無誤 ,實測剪刃表面硬度 HRC = 55~57,符合設計要求 (設計硬度 : HRC =55~60)。
    2. 2 斷口宏觀和微觀檢驗結果
    2. 2. 1 失效圓盤剪刃裂紋及崩刃位置位于剪刃

    ·44· 寬厚板 第 13卷 
    口尖角處 ,其裂紋從圓剪刃外輪廓沿徑向裂開
    (約長 5 mm) ,崩刃掉塊約 5 mm ×10 mm,見圖 1。
    2. 2. 2 失效剪刃斷面呈灰黑色 ,無金屬光澤 ,斷面宏觀形狀明顯分為兩個區域 :疲勞起裂源區和
    最后斷裂區 ,見圖 2 (a) ,箭頭所示為起裂源區 : ① 區疲勞起裂擴度區 , ②區最后斷裂面。
    2. 2. 3 疲勞起裂源區位于剪刃內側刃口處 ,且在起裂源區剪刃工作面有明顯變形 ,另有一約 5 mm
    ×5 mm的異金屬擠入失效剪刃 ,敲掉后可見分界面 ,如圖 2 (b)。箭頭所示為異金屬與剪刃有分離界面。
    2. 2. 4 對斷口的疲勞起裂源區進行進一步的微
    圖 1 圓盤剪剪刃裂紋 /崩刃取樣部位 觀檢驗 ,可見失效剪刃異金屬的擠入及裂紋形貌 , 如圖 3。
     
    圖 2 斷面宏觀形狀及起裂源區
     
    圖 3 起裂源區形貌及擠入異金屬形貌
    2. 2. 5 用 EDS對擠入異金屬進行成分分析 ,確定其成分為碳鋼 ,見圖 4。
    2. 2. 6 在疲勞起裂源區的裂紋擴展區域 ,可見與裂紋擴展方向垂直向上有明顯疲勞背擴紋 ,其斷面平整且無宏觀缺陷 ,見圖 5,圖 5 ( a)中箭頭所指為疲勞背擴紋 ; (b)為疲勞源區形貌。
    2. 2. 7 另外 ,電鏡檢驗起裂源區裂紋在疲勞作用
    下擴展到斷裂區且斷面有磨損特征 ,見圖 6。 圖 4 擠入異金屬 EDS分析為碳鋼
     第 6期 趙 敏 :圓盤剪 H13剪刃裂紋及崩刃分析  ·45· 
     
    圖 5 疲勞起源區的裂紋擴展及疲勞源區形貌
    2. 3 剪刃試樣金相檢測
    用掃描電鏡對失效剪刃取樣進行觀察。在試片起裂源區和最后斷裂區分別取樣 , 4%硫酸酒精浸蝕 ,磨制金相試樣 ,分析金相組織。
    2. 3. 1 起裂源區組織為 :回火馬氏體 +彌散分布碳化物 ,組織細小、均勻分布 ,見圖 7 (a)。
    2. 3. 2 最后斷裂區組織為 :彌散分布碳化物 +回火馬氏體 ,組織均勻細小 ,見圖 7 (b)。
    2. 3. 3 金相分析起裂源區 (包括裂紋擴展區 )及最后斷裂區的組織相同 ,都是回火馬氏體和彌散圖 6 起裂源區受疲勞作用 ,斷面有磨損特征 碳化物 ,其準解理形貌見圖 8。
     
    回火馬氏體 +彌散碳化物圖 7 起源裂區及最后斷裂源區金相組織 ( ×500)

    3 剪刃開裂、崩刃的原因分析

    3. 1 上述宏、微觀檢驗及表面硬度測量結果表明 , H13試驗剪刃產生裂紋的起裂源區本身的低倍、金相組織均勻致密無明顯缺陷 ,剪刃制造過程的使用材料、熱處理工藝規范 ,得到的組織、硬度和尺寸控制符合圖紙要求 ,故產生裂紋、崩刃損壞的主要原因應是剪刃設計硬度偏高從而導致韌性降低 ,剪刃使用時在剪切力和外部沖擊力反復作用下產生裂紋并擴展 ,最后導致剪刃掉塊崩刃損壞。
    ·46· 寬厚板 第 13卷 
    3. 2 通過對損壞剪刃起裂源區擠入異金屬低倍形貌和 EDS分析可以看出 ,擠入剪刃起裂源區的異金屬來自被剪切的鋼板 ,其結果加速了裂紋的擴展。
     
    圖 8 準解理形貌

    4 改進措施

    根據圓盤剪生產剪切鋼板多為普碳和低合金板 ,剪切溫度有時可達 200~300 ℃的要求 ,圓盤剪刀片材料應具有強度大、韌性和硬度高、耐高溫的紅硬性能好等特點。刀刃硬度過高則易產生折損、崩刃掉塊等事故 ,硬度過低又易產生磨損過快或燒損粘和。
    4. 1 根據對此 H13試驗剪刃損壞分析 ,參照以往 6CrW2Si剪刃的使用經驗 ,考慮到實際剪切沖擊作用 ,故重新修改 H13剪刃圖紙 ,新設計硬度
    為 HRC =52~55。
    4. 2 要求廠家在剪刃制造過程中必須保證材質 , 嚴格執行熱處理工藝規范 ,特別是淬火、回火工序 ,建議采用 260 ±100 ℃回火 ,控制硬度 HRC = 52~55,交貨狀態硬度以 HRC =53為宜。同時要求及時調整剪刃軸向間隙和重合度 ,避免粘和磨損發生。
    4. 3 建立剪刃使用合理的耐用度指標 ,保證正常使用 ,同時也避免剪刃過度使用而早期失效報廢。 4. 4 剪刃使用后應進行預熱 ,不定期地消除剪切殘余應力 ,避免產生早期的微小應力龜裂紋而失效 ,提高刀具的耐用度。
    經過以上措施后再使用的 H13剪刃從未發生過類似故障 ,使得 H13這種優質材料剪刃在中板廠順利推廣使用 ,大大地提高了圓盤剪刀具耐用度和生產效率 ,保證了生產任務的完成。

    5 結論

    5. 1 剪刃設計硬度偏高從而導致韌性降低 ,剪刃使用時在剪切力和外部沖擊力的作用下致使上剪刃刃口處產生裂紋 ,之后在交變應力的作用下發生金屬疲勞導致剪刃掉塊崩刃失效。
    5. 2 采用適度降低剪刃硬度提高韌性和抗沖擊能力 ,同時要及時調節刀盤側間隙 ,避免過度磨損。在刀具再次使用后進行預熱處理 ,消除剪切殘余應力 ,避免早期失效。銳云機械www.pumend.com著
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