40MnBH鋼是一種高淬透性的低合金結(jié)構(gòu)鋼，將微量硼元素加入鋼中可以顯著提高鋼的淬透性，該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于對(duì)強(qiáng)度、韌性要求較高的軸類(lèi)零件中。
某廠生產(chǎn)的軸頭加工流程為：下料→感應(yīng)加熱→模鍛→沖孔→調(diào)質(zhì)處理→機(jī)械加工，對(duì)該鋼進(jìn)行加工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某批次軸頭內(nèi)孔存在批量開(kāi)裂現(xiàn)象。
研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了軸頭開(kāi)裂的原因，以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。
1、理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
軸頭宏觀形貌如圖1所示，為了便于觀察，將軸頭鋸為上半段大頭端和下半段小頭端，下半段小頭端內(nèi)孔表面存在明顯的環(huán)向折疊缺陷(圖1中箭頭所指)。
軸頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖2可知：軸頭內(nèi)孔表面自上而下共存在4處應(yīng)力集中區(qū)，分別編號(hào)為1#~4#，其中1#~3#區(qū)域位于上半段，且均為大圓弧過(guò)渡區(qū)，應(yīng)力集中程度較弱；4#區(qū)域則位于下半段，即圖1中環(huán)向折疊缺陷處，該處應(yīng)力集中程度較明顯。
將軸頭下半段裂紋部分切開(kāi)，宏觀形貌如圖3所示，軸向裂紋和環(huán)向裂紋整體呈T形分布(見(jiàn)圖4)，且兩處裂紋均呈應(yīng)力開(kāi)裂特征。環(huán)向裂紋處為首先開(kāi)裂部位，軸向裂紋為次生裂紋。
1.2 磁粉檢測(cè)
圖5為軸頭內(nèi)孔磁粉檢測(cè)結(jié)果，上半段裂紋軸向長(zhǎng)度約為30mm，下半段則一直延伸至環(huán)向折疊處。由圖5可知：除軸向裂紋外，約1/3圈折疊根部存在環(huán)向磁痕。
1.3 金相檢驗(yàn)
沿圖3中虛線切割取樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：環(huán)向裂紋由兩部分組成,其中折疊部分(4#位置)腔內(nèi)填充有氧化物，兩側(cè)有高溫氧化特征，組織為鐵素體，為典型的鍛造折疊，另一部分則以折疊根部為源發(fā)生徑向擴(kuò)展，兩側(cè)組織為回火索氏體，未見(jiàn)氧化、脫碳等熱處理缺陷，整體表現(xiàn)為淬火開(kāi)裂。
1.4 掃描電鏡(SEM)分析
將開(kāi)裂處試樣置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示，由圖7可知：折疊部分表面被厚厚的氧化皮覆蓋，局部氧化皮剝落處呈圓滑形態(tài)。環(huán)向裂紋面雖被較薄的氧化皮覆蓋，但沿晶開(kāi)裂形貌清晰可見(jiàn)，為典型的淬火裂紋特征，打開(kāi)裂紋面，組織呈韌窩形貌。
2、綜合分析
2.1 裂紋性質(zhì)
環(huán)向裂紋和軸向裂紋均為淬火裂紋，環(huán)向裂紋和軸向裂紋皆沿晶界擴(kuò)展，尾部尖細(xì)且兩側(cè)無(wú)高溫氧化和脫碳現(xiàn)象，符合淬火裂紋特征；反之，折疊處拋光態(tài)表面可見(jiàn)高溫氧化質(zhì)點(diǎn)，腐蝕后表面存在明顯脫碳，且組織流線與變形方向一致。
2.2 折疊產(chǎn)生原因
折疊是一種表面缺陷，鋼坯上存在表面疤痕、凹凸不平、尖銳棱角等缺陷，在軋制過(guò)程中，這些缺陷存在于鋼材表面，或由于鍛扎操作不當(dāng)，將上一道工序生成的尖角、耳子又壓入金屬本體，與鋼材疊合在一起，最后形成折疊。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，可判斷折疊形成于沖孔階段，其主要與沖孔模具頭部邊緣磨損嚴(yán)重、表面粗糙以及終鍛溫度接近下限有關(guān)。
2.3 淬火裂紋產(chǎn)生原因
在熱處理鋼件時(shí)，特別是淬火過(guò)程中，截面各部分加熱和冷卻速率不一致使鋼件存在溫差，加上組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性等原因，使得鋼件截面各部分的體積脹縮不均勻，組織轉(zhuǎn)變的不均勻以及彈性變形的不一致，導(dǎo)致熱處理應(yīng)力的產(chǎn)生。熱處理應(yīng)力主要分為加熱或冷卻不均勻造成的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變的不同時(shí)性造成的組織應(yīng)力兩種，其在鋼件內(nèi)存在的狀態(tài)和起的作用有所不同。此外，偏析等因素造成鋼件內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變的不均勻引起的附加應(yīng)力也屬于組織應(yīng)力。熱處理后鋼件的最終應(yīng)力狀態(tài)及大小取決于這兩種應(yīng)力之和，稱(chēng)為合應(yīng)力或殘余應(yīng)力。當(dāng)淬火冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。淬火裂紋分布沒(méi)有規(guī)律，一般在零件的棱角槽口、截面突變處、孔洞邊緣和機(jī)械加工的刀痕上容易形成淬火裂紋，折疊處應(yīng)力集中嚴(yán)重，為淬火開(kāi)裂提供了條件。
綜上，由于沖模頭部邊緣磨損嚴(yán)重、表面粗糙以及終鍛溫度偏低，因此在沖孔過(guò)程中，內(nèi)孔表面形成環(huán)向折疊缺陷。折疊為裂紋類(lèi)缺陷，頭部應(yīng)力集中程度嚴(yán)重，淬火過(guò)程中，折疊頭部為裂紋源，引起淬火開(kāi)裂，同時(shí)在組織應(yīng)力的作用下產(chǎn)生軸向裂紋，二者交匯便形成T形開(kāi)裂形貌。
3、結(jié)論及建議
40MnBH鋼軸頭內(nèi)孔表面折疊是導(dǎo)致淬火開(kāi)裂的根本原因。折疊的產(chǎn)生主要與沖模頭部邊緣磨損嚴(yán)重及終鍛溫度偏低有關(guān)。
建議嚴(yán)格控制終鍛溫度及沖孔時(shí)的溫度，定期檢查沖孔模具的磨損情況，對(duì)有內(nèi)孔的軸類(lèi)零件進(jìn)行淬火冷卻時(shí)，應(yīng)控制好其冷卻速率。
作者：高彬科，張弛，吳飛虎，梁會(huì)雷，李平平
單位：中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第6期
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