正挤筒形环带表面裂纹的失效分析

正挤筒形环带表面裂纹的失效分析

1材料利用率低我国公司生产的铜环带采用了正挤筒、紧致、环切的工艺，工艺复杂，材料利用率仅为30%。为了简化工艺,提高材料的利用率,近来改为反挤盂、引伸(冷冲压)的新工艺,但是,由环带表面裂纹所致的废品率达50%～60%,要从根本上解决这一问题,首先必须彻底查清原因。2已通过2.1颈缩和裂纹观察失效实物形貌及其裂纹,可见裂口窄细,无明显的塑性变形、颈缩,呈脆性断口。裂纹稍曲折,基本呈纵向分布。从端面看,裂纹稍呈弯曲倾斜、深浅不一,车削后最深约8mm,约占环带厚度的1/3。失效部位在筒体的口部及根部周向区域,车削时容易断屑。2.2正常料的晶粒度裂纹尾端有氧化夹渣呈晶界形态分布,在其前段裂口由宽而细直至不见。环带内表面裂纹区金相组织为单一的α相,可见裂口区两侧晶粒大小严重不均,上侧晶粒度为0.055mm,下侧晶粒度为0.180mm。环带无裂纹区,晶粒度为0.055mm。对此批环带正常料的晶粒度统计结果显示,绝大多数的晶粒度在0.055～0.075mm之间,个别退火不充分的晶粒度为0.110mm。观察此批环带的低倍实物照,可以看到,没有中心裂纹、晶间裂纹、气泡、夹渣等低倍缺陷。低倍组织基本上为粗大的柱状晶,很少有边沿及中心等轴晶,认为是穿晶组织。2.3分析的弱化用QSN750直读光谱仪测量炉前试样中心部位的化学成分,成分合格,如表1所示:3波场t对棒料应力的影响简化生产工艺流程为:锯切→加热→镦饼→反挤盂→引伸→退火→机加工切环→退火,如图1、2、3所示。既为裂纹,应该有致裂的拉或张应力,且与裂纹方向成90°或45°角。从作用力方面看,镦饼时,其金属流动如图1所示。软态的金属在冲头与砧垫间压缩。由于冲头与砧垫对金属静摩擦力的作用,形成一摩擦力影响区,使两端面区的径向增大很有限,其中间区域则为金属快速流变区,朝径向流动变粗,这样棒料的外周向表面就受到了张应力的作用。此作用力方向与裂纹方向成90°角,可以形成裂纹。反挤盂时,如图2所示。软态的金属在凸模与凹模间受到反挤压的作用,由最小阻力原则,坯料将沿阻力最小的方向流动。若料温适中、变形易于进行,坯料将充满模腔。此种情况下,f点将最先贴紧模壁,a、b点受冲头静摩擦力的作用几乎不移动,而e、g点处于无阻力状态,向上拱起。由于金属的连续性,坯料中部金属在向e、g区流动过程中,原外周面金属将被拉伸,从而形成轴向的拉应力,方向和裂纹方向一致,此作用力对于裂纹的形成和发展没有影响。引伸(即冷冲压)时如图3所示,产品外周面受到轴向的拉应力和径向的压挤应力,对于裂纹的形成和发展没有作用,由此可见,只有镦饼时才有可能致裂,同时也正是由于是轴向裂纹才有可能被保留到机加工工序被发现,若为横向及斜向裂纹则有可能在后续工序扩大或断裂而被发现。从断口特征看,呈脆性断口,这对于塑性很好的H96铜材而言很不正常,除非晶粒的晶界氧化过烧,此种情况只能产生于中频加热中,而后续工序的退火温度很低,不可能产生过烧。从裂纹尾端形貌图可看到有氧化夹渣呈晶界形态分布,从铜饼低倍实物照可以看出组织基本是穿晶组织。穿晶组织的特点为径向柱状晶,十分粗大,呈径向分布的晶界因原子排列紊乱而处于高能态,易于氧化、过烧,柱状晶界从周向看和裂纹方向较为一致,从而形成轴向裂纹。这样若棒料过烧得不那么严重,仅发生在a、b及c、d尖楞区,镦饼时此尖楞区周向扩张有限,棒料的轴向又受到压缩,因晶界脱开形成的裂纹就很尖细,此弧形裂口面经热态氧化,虽有动态再结晶也不能“焊合”,反挤时经轴向拉伸变异发展成纵向裂纹。看环带内表面裂纹区金相组织,裂纹两侧晶粒大小十分悬殊,可见变形量的差异,这种差异来自于镦粗变形中。从周面看因晶界面的分离使一侧的金属应力松驰而形变终止,而动态再结晶及随后热态再结晶细化的程度取决于热态的变形度。在反挤盂和冷态的拉伸(即冲压)时同一部位又参与了同等程度的轴向变形,在随后的回复、再结晶过程中就表现出来。从图1、图2分析得知,棒料在中频炉中加热,由感应特性可知:一定的频率下,对应相应的透热深度,若棒料较粗则需要适当延长加热时间,若二者匹配适当,时间定的合适,则可满足后续工艺要求,否则将出现过烧或不能透烧。我们知道尖楞区(即a、b及c、d环形区)受热升温较快,又处于外周面,易于过热、过烧。我厂这种环带壁较厚,为提高生产率采用大出口模,生产280mm粗的连铸铜锭,使得镦饼后其最大周向尺寸远大于反挤时的凸模直径尺寸,如图2所示,这样在反挤盂时,把上楞边a、b环形带置于盂子口部。随着凸模的不断下移,凸模对软化金属的静摩擦力影响区域被压至底部,而饼子内部金属则流动到盂子体部的内部区域,原外周面则因内部金属的不断流入而被拉伸,上楞边a、b环形带基本以a、b为中心两边受拉变长,下楞边c、d环形带被拉伸变形后留在盂子根部区。这样在筒体的上部及根部就出现裂纹。4加热时间跟踪试验结果