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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2017-08-02 16:14
曲軸主要承受交變的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷和一定的沖擊載荷，軸頸的表面還受到磨損。若曲軸出現(xiàn)裂紋，在彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊載荷的作用下，曲軸就會(huì)迅速斷裂；因此曲軸各部位嚴(yán)禁有裂紋存在。某類型的42CrMo鋼曲軸毛坯經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，在后續(xù)曲軸磁粉探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分曲軸小頭出現(xiàn)縱向裂紋，見(jiàn)圖1。為了改進(jìn)工藝，減少經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)該曲軸的裂紋產(chǎn)生的原因分析，以采取相應(yīng)的措施防止此類裂紋的產(chǎn)生。
1.曲軸技術(shù)要求
曲軸毛坯調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能應(yīng)滿足：屈服強(qiáng)度≥650MPa，抗拉強(qiáng)度：880～1000MPa，A≥14%，Z≥40%，硬度28～34HRC，夏比V型沖擊功≥35J，顯微組織按GB/T13299 1～4級(jí)均勻回火索氏體，晶粒度按GB/T6394奧氏體晶粒度5～8級(jí)。
2.生產(chǎn)工藝及設(shè)備
曲軸生產(chǎn)工藝：下料→加熱→鍛造→切邊→校正→調(diào)質(zhì)→拋丸→磁粉探傷→打磨→防銹→入庫(kù)。
調(diào)質(zhì)工藝路線：設(shè)備為連續(xù)式網(wǎng)帶爐；870℃加熱，10%PAG介質(zhì)淬150s；600℃回火后噴霧冷卻。
3.試驗(yàn)材料與方法
選取上圖中有裂紋的曲軸，在其主軸中心應(yīng)用直讀光譜儀Q6（COLUMBUS）分析材料化學(xué)成分，分析結(jié)果見(jiàn)附表。
42CrMo曲軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
|
項(xiàng)目 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
|
標(biāo)準(zhǔn) |
0.38～ 0.45 |
0.17～0.37 |
0.50～ 0.80 |
≤0.025 |
≤0.025 |
0.90～ 1.20 |
0.15～ 0.25 |
|
實(shí)測(cè) |
0.44 |
0.27 |
0.70 |
0.010 |
0.010 |
1.15 |
0.20 |
在曲軸小頭裂紋處取金相樣，金相顯微鏡XJL-09BD觀察裂紋形態(tài)、金相；用洛氏硬度機(jī)測(cè)定洛氏硬度；將曲軸裂紋打開(kāi)后用EVO18掃描電鏡觀察斷口形貌.
4.試驗(yàn)結(jié)果與分析
（1）曲軸宏觀分析
宏觀圖1a、圖1b、圖1c失效曲軸裂紋為縱向裂紋，裂紋呈直線方式以張開(kāi)型由表面向中心擴(kuò)展，裂紋終止于小頭中心附近；圖1a中曲軸小頭有傷，表面不光滑，有個(gè)別鍛后曲軸毛坯在小頭處有鍛造傷,見(jiàn)圖1d；這些地方內(nèi)應(yīng)力增大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，淬火時(shí)可能會(huì)造成曲軸的開(kāi)裂.
（2）曲軸裂紋的附近硬度
在金相樣上遠(yuǎn)離裂紋處檢測(cè)洛氏硬度，檢測(cè)結(jié)果為30HRC、31HRC、31.5HRC、30.5HRC，硬度合格。
（3）曲軸化學(xué)成分分析
該批曲軸的化學(xué)成分與上批曲軸除C、Cr（wC=0.41%,wCr=1.01%）含量差距較大外，其他元素含量相近。一般說(shuō)來(lái)，隨著馬氏體中含碳量的增加，增大了馬氏體的脆性，降低了鋼的脆斷強(qiáng)度，增大了淬火裂紋傾向。在含碳量增加時(shí)，熱應(yīng)力影響減弱，組織應(yīng)力影響增強(qiáng)；增加了淬火開(kāi)裂傾向。合金元素增多時(shí)，鋼的導(dǎo)熱性降低，增大了相變的不同時(shí)性；同時(shí)合金含量增大，又強(qiáng)化了奧氏體，難以通過(guò)塑性變形來(lái)松弛應(yīng)力，因而增大熱處理內(nèi)應(yīng)力，有增加淬裂的傾向。
（4）曲軸顯微組織及裂紋微觀形貌
圖2a為曲軸裂紋前端的微觀形貌?？梢钥吹搅鸭y表面較寬，內(nèi)部較窄，這說(shuō)明裂紋從表面向內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展過(guò)程中裂紋無(wú)分枝，裂紋兩側(cè)不存在脫碳，組織為回火索氏體。圖2b為曲軸裂紋附近金相，為4.0級(jí)均勻回火索氏體；奧氏體晶粒度為6.5級(jí)；滿足曲軸技術(shù)條件。
將裂紋打開(kāi)，對(duì)斷口進(jìn)行了去氧化處理的斷口表面進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖3所示，可觀察到沿晶特征，但晶粒表面圓鈍，斷口表面呈很明顯的沿晶形貌特征。根據(jù)淬火裂紋特征，可以判斷該曲軸裂紋為淬火裂紋。取曲軸小頭（常規(guī)檢驗(yàn)部位）縱截面進(jìn)行非金屬夾雜物按GB/T10561評(píng)定，結(jié)果為A1.5B1.0C0D1；滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求。
（5）裂紋產(chǎn)生模型分析
該曲軸裂紋為典型的淬火裂紋中的縱裂，縱裂通常是在工件完全淬透，由組織應(yīng)力造成。縱裂形成的應(yīng)力-力學(xué)條件是在零件表面上的最大拉應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度，縱裂產(chǎn)生的力學(xué)模型與組織應(yīng)力的原因一致，即：在淬火冷卻初期，零件表層比心部先轉(zhuǎn)變成馬氏體，隨后零件心部馬氏體相變是在外層馬氏體限制下進(jìn)行的，而馬氏體相變會(huì)發(fā)生體積膨脹，于是心部金屬給外層金屬擴(kuò)張作用，在外表面引起最大拉應(yīng)力，如前所述，組織應(yīng)力的切向應(yīng)力顯著大于軸向應(yīng)力，當(dāng)這一應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度便會(huì)發(fā)生縱裂。力學(xué)模型見(jiàn)圖4。 由于部分曲軸小頭表面存在鍛造傷，使小頭部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大了組織應(yīng)力，促進(jìn)了縱裂的產(chǎn)生；而較高的碳含量和較高的合金元素含量也增加淬裂的傾向。
5.改進(jìn)措施
（1）調(diào)質(zhì)前將曲軸鍛造傷打磨掉，提高表面質(zhì)量，消除應(yīng)力集中源。
（2）調(diào)整工藝，減小淬火時(shí)組織應(yīng)力。降低淬火溫度，縮短淬火時(shí)間，減小淬火前后的曲軸的溫差，降低淬火時(shí)的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，減少開(kāi)裂傾向；增大PAG介質(zhì)濃度，降低介質(zhì)的冷卻速度，減小組織應(yīng)力，也能減小開(kāi)裂傾向。
（3）關(guān)注原材料化學(xué)成分。最好控制原材料化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)要求的中限，根據(jù)原材料的化學(xué)成分，制定相應(yīng)的調(diào)質(zhì)工藝，若原材料中碳和合金元素含量較高，可適當(dāng)降低淬火溫度，縮短淬火時(shí)間，增大介質(zhì)濃度等措施減小開(kāi)裂。
采取以上措施后，沒(méi)有再產(chǎn)生類似淬火裂紋，提高的產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了公司的經(jīng)濟(jì)損失。
6.結(jié)語(yǔ)
（1）通過(guò)分析，部分曲軸小頭表面存在鍛造傷，使小頭部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大了組織應(yīng)力，促進(jìn)了縱裂的產(chǎn)生；該批42CrMo曲軸原材料含有較高的碳含量和較高的合金元素，在調(diào)質(zhì)過(guò)程中，組織應(yīng)力較大，增大了淬火裂紋的產(chǎn)生傾向。
（2）通過(guò)改善曲軸表面質(zhì)量，采取更溫和的淬火，控制原材料化學(xué)成分，對(duì)特定的化學(xué)成分制定特定的調(diào)質(zhì)工藝，可以杜絕此類淬火裂紋的產(chǎn)生。
作者：印小松、董旭剛、周兵、趙金華
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