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如何利用理化檢驗(yàn)提高材料強(qiáng)韌性

嘉峪檢測網(wǎng)        2019-03-21 14:27

風(fēng)機(jī)制造成本非常高,主軸作為主要的受力部件,長期服役在低溫等惡劣環(huán)境中,極易發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變,造成主軸斷裂,從而引發(fā)事故。近些年來風(fēng)電主軸斷裂事件頻發(fā),材料中存在偏析缺陷會(huì)造成其性能數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,這是導(dǎo)致風(fēng)電主軸發(fā)生斷裂的主要因素之一。因此提高風(fēng)電主軸性能,保證性能數(shù)據(jù)穩(wěn)定顯得十分必要。

 

今天我們就將基于某公司生產(chǎn)的現(xiàn)風(fēng)電主軸的性能分析來探討如何升級(jí)產(chǎn)品。

 

 

 

 

升級(jí)前風(fēng)電主軸檢驗(yàn)信息

 

1、化學(xué)成分

該主軸原材料為外部采購的42CrMo4鋼錠,采用偏心初煉爐底出鋼+鋼包精煉+真空脫氣(EAF+LF+VD)方法冶煉連鑄成型。

在鋼錠水口端取光譜試樣復(fù)檢化學(xué)成分,試驗(yàn)產(chǎn)品共16個(gè),其中8個(gè)產(chǎn)品的化學(xué)成分如表1所示。該產(chǎn)品材料的技術(shù)要求為符合德國標(biāo)準(zhǔn)SEW550《大型鋼鐵鍛件:質(zhì)量指標(biāo)》。

 

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

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由表1可以看出,所有試驗(yàn)產(chǎn)品材料的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

 

2、鍛造工藝

如圖1所示,加熱后的鋼錠經(jīng)過壓鉗把、墩粗、拔長等一系列鍛造工藝加工成半成品毛坯狀態(tài)。

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圖1 鍛造加熱工藝曲線

 

鍛造完成后的毛坯熱處理工藝按照?qǐng)D2所示執(zhí)行。

 

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圖2 鍛后熱處理工藝曲線

3、車床加工

將毛坯主軸放置到車床上進(jìn)行扒皮加工,完全去除掉毛坯態(tài)的氧化表皮,根據(jù)圖紙要求扒皮見光,為后續(xù)調(diào)質(zhì)熱處理做準(zhǔn)備。

 

4、調(diào)質(zhì)處理

產(chǎn)品最終熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理,工藝曲線如圖3所示。

 

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圖3 調(diào)質(zhì)處理工藝曲線

5、取樣檢測

調(diào)質(zhì)處理完成后在每個(gè)產(chǎn)品試樣區(qū)處分別取樣,取樣位置如圖4所示。

 

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圖4 取樣位置示意圖

6、試驗(yàn)結(jié)果

拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 228.1-2010和GB/T 229-2007。

 

表2 拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果

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在圖4所示位置取硬度試樣,硬度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1-2009。

 

表3 硬度檢驗(yàn)結(jié)果

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在圖4所示位置取金相試樣,檢驗(yàn)其軸向剖面。

 

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圖5 顯微組織形貌

 

1~8號(hào)試樣的顯微組織基本相同,均為回火索氏體+粒狀貝氏體回火組織,如圖5所示。

 

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圖6 晶粒形貌

 

根據(jù)GB/T 6394-2017中的比較法評(píng)級(jí)得出1~8號(hào)試樣的鐵素體晶粒度均為7.0級(jí),如圖6所示。

 

 

 

分析與討論

1、分析

(1)針對(duì)表2中力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,可見該批產(chǎn)品的最終拉伸和沖擊性能數(shù)值全部合格,基本能滿足技術(shù)要求。但根據(jù)對(duì)表2數(shù)據(jù)的分析可以判斷:抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)要求,處于該產(chǎn)品質(zhì)量安全可控等級(jí);屈服強(qiáng)度Rp0.2稍高于技術(shù)要求,處于該產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);沖擊吸收能量平均值稍高于技術(shù)要求,但存在單個(gè)值偏低的情況,數(shù)值波動(dòng)較大,存在嚴(yán)重的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

 

(2)為了消除已存在的嚴(yán)重質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)現(xiàn)存的狀況,分析得出亟需解決的問題是如何提高沖擊吸收能量,因此提高工件的沖擊韌性是關(guān)鍵。

 

(3)傳統(tǒng)方法是通過合金化方法來設(shè)計(jì)強(qiáng)韌性水平更高的材料。提高鋼韌性的有效途徑有:①細(xì)化奧氏體晶粒;②提高鋼的回火穩(wěn)定性;③改善基體韌性;④細(xì)化碳化物;⑤提高冶金質(zhì)量。

 

(4)釩元素在鋼中所起的作用主要是細(xì)化鋼的組織和晶粒,提高晶粒粗化溫度,從而降低鋼的過熱敏感性,提高鋼的強(qiáng)度和韌性。在高溫時(shí)把釩溶入奧氏體能增加鋼的淬透性。此外,釩能增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性,并產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)釩作為強(qiáng)的碳化物形成元素和沉淀硬化劑,使鋼材在高溫下有較高的強(qiáng)度和抗沖擊、耐腐蝕及可焊性。沉淀強(qiáng)化作用取決于釩的加入量和沉淀相的顆粒尺寸。顆粒越細(xì)小,強(qiáng)化作用越大。VC和VN溶解度相差很大,VN的固溶度相比VC的要小兩個(gè)數(shù)量級(jí),因此氮在釩鋼中起著決定性作用。低碳、鉻、鎳等元素含量(18%以下)有利于板條馬氏體的形成,再配合以鉬、鈦、釩、鈮、鋯等元素,形成細(xì)小、彌散分布且不易破碎的第二相粒子,既有利于提高材料的強(qiáng)度,也有利于保證材料具有足夠的斷裂韌性。

 

(5)釩在一些合金鋼中的含量見表4。

 

表4 釩在一些合金鋼中的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

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2、討論

根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果和分析討論,該公司決定采用傳統(tǒng)方法,通過合金化方法提高風(fēng)電主軸的韌性,并采購加入釩元素的鋼錠進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)加工,保持其他全部原有的產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗(yàn)工藝不變。升級(jí)后加工成型工件的相關(guān)檢驗(yàn)信息如下文所述。

 

 

升級(jí)后風(fēng)電主軸檢驗(yàn)信息

1、化學(xué)成分

根據(jù)產(chǎn)品升級(jí)需求,采購鋼錠的材料中加入了釩元素,其含量控制在0.15%~0.20%,試驗(yàn)產(chǎn)品材料的化學(xué)成分如表5所示。

 

表5 升級(jí)后試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

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2、拉伸和沖擊性能

表6 升級(jí)后拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果

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材料中加入釩元素后,產(chǎn)品拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表6所示,可見材料中加入釩元素后屈服強(qiáng)度和沖擊韌性都有較大的提高,不僅數(shù)值更穩(wěn)定,而且遠(yuǎn)大于技術(shù)要求。

3、硬度

在材料中加入釩元素后的硬度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

 

表7 升級(jí)后硬度試驗(yàn)結(jié)果

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4、顯微組織

在材料中加入釩元素后的顯微組織形貌如圖7所示,9~16號(hào)試樣的顯微組織均為回火索氏體+粒狀貝氏體回火組織。

 

如何利用理化檢驗(yàn)提高材料強(qiáng)韌性

圖7 升級(jí)后顯微組織形貌

 

根據(jù)GB/T 6394-2017中的比較法評(píng)級(jí)得出9~16號(hào)試樣的鐵素體晶粒度均為8.5級(jí),如圖8所示。

 

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圖8 升級(jí)后晶粒形貌

5、分析與討論

(1)粗大的晶粒會(huì)降低主軸的解理斷裂強(qiáng)度,使疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大,最終會(huì)導(dǎo)致主軸發(fā)生早期疲勞斷裂。晶粒細(xì)小的鋼材,裂紋在擴(kuò)展過程中會(huì)頻繁改變斷裂路徑,提高主軸抵抗解理斷裂的能力,從而具有良好的低溫韌性。

 

(2)釩、鈦、鈮等微合金元素均有細(xì)化晶粒的效果,微合金元素在鋼中容易形成碳化物、氮化物或碳氮化合物等第二相,第二相可在冶煉鋼錠中形成,也可在鍛造或軋制過程中析出。該第二相在鍛造或軋制的熱變形過程中可對(duì)組織起到“釘扎”作用,且這些第二相在再結(jié)晶過程中又可作為晶粒形核的“核心”,從而起到細(xì)化晶粒的效果。

 

 

結(jié)論

在風(fēng)電主軸材料42CrMo鋼中,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%~0.20%的釩元素,不僅可以提高產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性,還可以提高產(chǎn)品沖擊韌性數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,降低產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

作者:史可慶,助理工程師,山東萊蕪金雷風(fēng)電科技股份有限公司

 

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來源:理化檢驗(yàn)

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