摘 要:在對(duì)某經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的40MnBH 鋼軸頭進(jìn)行機(jī)械加工時(shí),發(fā)現(xiàn)該軸頭內(nèi)孔表面存在軸 向和環(huán)向裂紋,采用宏觀觀察、磁粉檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法研究了裂紋產(chǎn)生的原因。 結(jié)果表明:該裂紋為淬火裂紋,裂紋的產(chǎn)生原因是沖孔異常使內(nèi)孔表面形成環(huán)向折疊,并產(chǎn)生了局 部應(yīng)力集中。對(duì)沖孔模具及鍛造工藝進(jìn)行改進(jìn),可以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞:40MnBH 鋼;軸頭;折疊;淬火裂紋

中圖分類(lèi)號(hào):TG156.34;TG115.2                 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                 文章編號(hào):1001-4012(2023)06-0007-03

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[1-3],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。 

筆者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[4-7];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[6-8]。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)。

由金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)試結(jié)果可知:內(nèi)表面凸起 區(qū)域不存在潛在的金屬變形流線,但在焊接高溫區(qū) 域存在過(guò)熱的魏氏體,且從正常區(qū)到高溫區(qū),硬度呈 增大趨勢(shì)。由能譜分析結(jié)果可知,缺陷管外表面凹 坑和孔洞處存在堆積的焊渣,且在高溫向正常區(qū)域 過(guò)渡的凹坑附近,有氧化物夾雜和殘留的焊劑。

3 結(jié)論及建議 

缺陷管漏水的主要原因?yàn)?焊接時(shí)的高頻電流 集中在鋼管表面,輸入功率大而焊接速率小,造成表 面局部受熱嚴(yán)重,出現(xiàn)過(guò)燒缺陷。過(guò)燒缺陷導(dǎo)致鋼 管外表面產(chǎn)生大量堆積的焊渣,這些焊渣與鋼管基 體材料的熱膨脹系數(shù)相差很大,會(huì)使材料產(chǎn)生很大 的內(nèi)應(yīng)力[9],降低了外表面的塑性和韌性,進(jìn)而促使 表面凹坑和孔洞的形成[10]。

建議焊接時(shí)選用合適的焊接工藝參數(shù),減小輸 入功率,提高焊接速率,避免產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象;同時(shí)也 可采用焊前預(yù)熱及焊后保溫的方式,使表面溫度緩 慢降低。

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