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圆盘剪H13剪刃裂纹及崩刃分析

2018-11-22 13:35  浏览次数:
中厚板剪切剪刀 (刃 ) 传统通用材料为 5CrW2 Si和 6CrW2 Si,而在国内外模具业广泛使用的高强性热作模具钢 H13 〔美国 ASTM 标准 ,其近似钢号 :中国 4Cr5MoSiV1 ( GB ) ;德国 1. 2344
 第 13卷第 6期
2007年 12月 
宽厚板
W IDE AND HEAVY PLATE
Vol. 13. No. 6 December 2007 ·43·
(W - Nr) ; 法国 X40CrMoV5 (NF) ; 日本 SKD61 (J IS) ;俄罗斯 ( ГOCT) 4X5MΦ C〕因其具有优良的热强性、热疲劳性以及综合力学性能近年来被广泛推广应用到冶金剪刀 (刃 )制造业 ,特别是在中厚板生产中取得了良好的使用效果。某中板厂在其圆盘剪试用 H13 钢剪刃过程中发生了剪刃刃口裂纹和掉块崩刃的现象。为分析剪刃失效原因 ,特选取其中一片上剪刃进行裂纹及崩刃分析 , 以找出裂纹和崩刃形成原因 ,提出预防措施避免以后剪刃成批报废。

2 检测结果与分析

首先 ,调出当时生产纪录 ,同时对此次试用的全部 4片圆盘剪剪刃进行外观尺寸和表面硬度检查复测 ,并将崩刃的圆盘剪剪刃取样 ,分别进行裂纹断口宏观和微观检验分析。
2. 1 剪切生产纪录及剪刃外观检查
2. 1. 1 剪切生产纪录
此批 4片试用剪刃为首次使用 ,已剪切 Q235
和 Q345 (厚度 10~25 mm)普碳钢板多批 ,合计约
7 000 t,此次崩刃发生在常规剪切厚度 20 mm的 Q235B钢板 ,此前刚刚剪切完成一批 (20块 )厚度
16 mm的 Q345钢板。
2. 1. 2 外观尺寸和表面硬度检查复测
复检和剪前入库检验结果相同 ,外形几何尺寸无误 ,实测剪刃表面硬度 HRC = 55~57,符合设计要求 (设计硬度 : HRC =55~60)。
2. 2 断口宏观和微观检验结果
2. 2. 1 失效圆盘剪刃裂纹及崩刃位置位于剪刃

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口尖角处 ,其裂纹从圆剪刃外轮廓沿径向裂开
(约长 5 mm) ,崩刃掉块约 5 mm ×10 mm,见图 1。
2. 2. 2 失效剪刃断面呈灰黑色 ,无金属光泽 ,断面宏观形状明显分为两个区域 :疲劳起裂源区和
最后断裂区 ,见图 2 (a) ,箭头所示为起裂源区 : ① 区疲劳起裂扩度区 , ②区最后断裂面。
2. 2. 3 疲劳起裂源区位于剪刃内侧刃口处 ,且在起裂源区剪刃工作面有明显变形 ,另有一约 5 mm
×5 mm的异金属挤入失效剪刃 ,敲掉后可见分界面 ,如图 2 (b)。箭头所示为异金属与剪刃有分离界面。
2. 2. 4 对断口的疲劳起裂源区进行进一步的微
图 1 圆盘剪剪刃裂纹 /崩刃取样部位 观检验 ,可见失效剪刃异金属的挤入及裂纹形貌 , 如图 3。
 
图 2 断面宏观形状及起裂源区
 
图 3 起裂源区形貌及挤入异金属形貌
2. 2. 5 用 EDS对挤入异金属进行成分分析 ,确定其成分为碳钢 ,见图 4。
2. 2. 6 在疲劳起裂源区的裂纹扩展区域 ,可见与裂纹扩展方向垂直向上有明显疲劳背扩纹 ,其断面平整且无宏观缺陷 ,见图 5,图 5 ( a)中箭头所指为疲劳背扩纹 ; (b)为疲劳源区形貌。
2. 2. 7 另外 ,电镜检验起裂源区裂纹在疲劳作用
下扩展到断裂区且断面有磨损特征 ,见图 6。 图 4 挤入异金属 EDS分析为碳钢
 第 6期 赵 敏 :圆盘剪 H13剪刃裂纹及崩刃分析  ·45· 
 
图 5 疲劳起源区的裂纹扩展及疲劳源区形貌
2. 3 剪刃试样金相检测
用扫描电镜对失效剪刃取样进行观察。在试片起裂源区和最后断裂区分别取样 , 4%硫酸酒精浸蚀 ,磨制金相试样 ,分析金相组织。
2. 3. 1 起裂源区组织为 :回火马氏体 +弥散分布碳化物 ,组织细小、均匀分布 ,见图 7 (a)。
2. 3. 2 最后断裂区组织为 :弥散分布碳化物 +回火马氏体 ,组织均匀细小 ,见图 7 (b)。
2. 3. 3 金相分析起裂源区 (包括裂纹扩展区 )及最后断裂区的组织相同 ,都是回火马氏体和弥散图 6 起裂源区受疲劳作用 ,断面有磨损特征 碳化物 ,其准解理形貌见图 8。
 
回火马氏体 +弥散碳化物图 7 起源裂区及最后断裂源区金相组织 ( ×500)

3 剪刃开裂、崩刃的原因分析

3. 1 上述宏、微观检验及表面硬度测量结果表明 , H13试验剪刃产生裂纹的起裂源区本身的低倍、金相组织均匀致密无明显缺陷 ,剪刃制造过程的使用材料、热处理工艺规范 ,得到的组织、硬度和尺寸控制符合图纸要求 ,故产生裂纹、崩刃损坏的主要原因应是剪刃设计硬度偏高从而导致韧性降低 ,剪刃使用时在剪切力和外部冲击力反复作用下产生裂纹并扩展 ,最后导致剪刃掉块崩刃损坏。
·46· 宽厚板 第 13卷 
3. 2 通过对损坏剪刃起裂源区挤入异金属低倍形貌和 EDS分析可以看出 ,挤入剪刃起裂源区的异金属来自被剪切的钢板 ,其结果加速了裂纹的扩展。
 
图 8 准解理形貌

4 改进措施

根据圆盘剪生产剪切钢板多为普碳和低合金板 ,剪切温度有时可达 200~300 ℃的要求 ,圆盘剪刀片材料应具有强度大、韧性和硬度高、耐高温的红硬性能好等特点。刀刃硬度过高则易产生折损、崩刃掉块等事故 ,硬度过低又易产生磨损过快或烧损粘和。
4. 1 根据对此 H13试验剪刃损坏分析 ,参照以往 6CrW2Si剪刃的使用经验 ,考虑到实际剪切冲击作用 ,故重新修改 H13剪刃图纸 ,新设计硬度
为 HRC =52~55。
4. 2 要求厂家在剪刃制造过程中必须保证材质 , 严格执行热处理工艺规范 ,特别是淬火、回火工序 ,建议采用 260 ±100 ℃回火 ,控制硬度 HRC = 52~55,交货状态硬度以 HRC =53为宜。同时要求及时调整剪刃轴向间隙和重合度 ,避免粘和磨损发生。
4. 3 建立剪刃使用合理的耐用度指标 ,保证正常使用 ,同时也避免剪刃过度使用而早期失效报废。 4. 4 剪刃使用后应进行预热 ,不定期地消除剪切残余应力 ,避免产生早期的微小应力龟裂纹而失效 ,提高刀具的耐用度。
经过以上措施后再使用的 H13剪刃从未发生过类似故障 ,使得 H13这种优质材料剪刃在中板厂顺利推广使用 ,大大地提高了圆盘剪刀具耐用度和生产效率 ,保证了生产任务的完成。

5 结论

5. 1 剪刃设计硬度偏高从而导致韧性降低 ,剪刃使用时在剪切力和外部冲击力的作用下致使上剪刃刃口处产生裂纹 ,之后在交变应力的作用下发生金属疲劳导致剪刃掉块崩刃失效。
5. 2 采用适度降低剪刃硬度提高韧性和抗冲击能力 ,同时要及时调节刀盘侧间隙 ,避免过度磨损。在刀具再次使用后进行预热处理 ,消除剪切残余应力 ,避免早期失效。锐云机械www.huyundaopian.com著
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