淺析原材料對(duì)楔橫軋件內(nèi)部質(zhì)量的影響

文／王超·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

采用楔橫軋工藝生產(chǎn)變速箱副箱加長(zhǎng)中間軸/副箱中間軸，發(fā)現(xiàn)軋制的零件存在嚴(yán)重孔洞。對(duì)原材料和零件取樣進(jìn)行低倍分析，符合國(guó)標(biāo)要求。但是在高倍顯微鏡下觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼材內(nèi)部存在白點(diǎn)，分析認(rèn)為該孔洞是原材料加熱軋制時(shí)以白點(diǎn)處為裂紋源，受力后擴(kuò)散形成。

楔橫軋是一種軸類(lèi)零件成形工藝技術(shù)，與傳統(tǒng)的切削、鍛造零件成形工藝比較，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的組成部分。楔橫軋的工作原理：兩個(gè)帶楔形模具的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)圓形軋件旋轉(zhuǎn)，軋件在楔形孔型的作用下，軋制成各種形狀的臺(tái)階軸，楔橫軋的變形特點(diǎn)主要是徑向壓縮和軸向延伸。

由于楔橫軋工藝這種徑向壓縮和軸向延伸的成形特點(diǎn)，軋制的零件心部易產(chǎn)生疏松，甚至形成縮孔、孔洞等缺陷，這類(lèi)缺陷削弱了零件的強(qiáng)度，并最終導(dǎo)致零件失效。影響楔橫軋件心部質(zhì)量的因素，河北東安張軍改、山東鋼鐵李法興等專(zhuān)家做了詳細(xì)的研究和分析，認(rèn)為在實(shí)際生產(chǎn)中，楔橫軋件心部質(zhì)量的影響因素包括以下方面：

⑴原材料，主要是疏松等級(jí)、夾雜物級(jí)別；

⑵軋制溫度；

⑶模具設(shè)計(jì)。

在生產(chǎn)中主要是使用超聲波探傷儀來(lái)檢測(cè)零件心部質(zhì)量，其檢測(cè)原理是：超聲波以持續(xù)時(shí)間極短的發(fā)射脈沖發(fā)射到被測(cè)試件的內(nèi)部，利用被測(cè)試件的內(nèi)部缺陷或者地面反射回來(lái)的回波信號(hào)來(lái)探知反射源的具體位置和大小，從而判斷被測(cè)試件的完整性，即判斷其是否有缺陷存在，并且可以進(jìn)一步的探知缺陷的位置和大小。

查找原因

筆者是從事楔橫軋零件生產(chǎn)的技術(shù)人員，生產(chǎn)中也接觸到楔橫軋件中心疏松、縮孔之類(lèi)的缺陷。在生產(chǎn)變速箱副箱加長(zhǎng)中間軸/副箱中間軸（材質(zhì)：8620H）時(shí)，發(fā)現(xiàn)軋制的零件連續(xù)出現(xiàn)超聲波探傷不合格的現(xiàn)象，在有缺陷波的位置處標(biāo)記，并剖切，發(fā)現(xiàn)心部存在縮孔，嚴(yán)重的呈貫通式孔洞狀(圖1）。由于生產(chǎn)的是成熟產(chǎn)品，且模具使用狀況良好，因此，決定更換一爐鋼材進(jìn)行驗(yàn)證，切換新?tīng)t號(hào)后，軋制100根零件，超聲波探傷全部合格（表1）。

圖1 軋件貫通式縮孔

表1 超聲波探傷對(duì)比

對(duì)問(wèn)題爐號(hào)和新?tīng)t號(hào)的原材料取樣分析，兩個(gè)爐號(hào)鋼材的低倍（圖2）、化學(xué)成分（表2）、力學(xué)性能（表3）均符合國(guó)標(biāo)要求，且波動(dòng)小，未發(fā)現(xiàn)有能引起軋件產(chǎn)生縮孔的因素。

對(duì)問(wèn)題爐號(hào)的原材料進(jìn)行超聲波探傷抽查，發(fā)現(xiàn)原材料本身存在嚴(yán)重傷波（圖3），且比例較高，在傷波位置處鋸切取樣3件，3個(gè)樣件在低倍下觀察，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見(jiàn)異常缺陷（圖4），研磨拋光后在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)樣件有兩條微裂紋，最長(zhǎng)的一條2.049mm（圖5）。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，確定這種缺陷屬于白點(diǎn)，也叫氫脆。原因是鋼中氫含量高，白點(diǎn)處的斷口晶粒自由面由兩種相貌的表面晶體組成。在晶面有較多的位錯(cuò)線，氫的固溶會(huì)在位錯(cuò)線周?chē)坌纬蓺鈭F(tuán)，從而使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋，使得鋼材心部強(qiáng)度極差，鋼材經(jīng)熱加工變形后在冷卻過(guò)程中因應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。在楔橫軋軋制過(guò)程中，坯料成形時(shí)受三向拉應(yīng)力，心部在交變應(yīng)力的作用下，裂紋進(jìn)一步沿縱向發(fā)展，各條微裂紋匯集到一起，形成縮孔，縮孔進(jìn)一步擴(kuò)展，成為貫通式的孔洞。

圖2 低倍組織試樣

表2 化學(xué)成分分析（%）

表3 力學(xué)性能分析

圖3 超聲波探傷波形

圖4 鋼材傷波缺陷位置處取樣低倍形貌

圖5 顯微組織觀察

分析

白點(diǎn)是鋼中常見(jiàn)的一種冶金缺陷，是鋼材中未逸散的氫原子在軋制時(shí)產(chǎn)生組織應(yīng)力，加上軋后冷卻速度過(guò)快等外因，應(yīng)力超過(guò)了鋼的極限強(qiáng)度形成開(kāi)裂，應(yīng)力和氫的共同作用是白點(diǎn)形成的主要因素，會(huì)成為今后的裂紋源，對(duì)產(chǎn)品的危害極大，不僅容易造成應(yīng)力集中給熱處理零件帶來(lái)開(kāi)裂的危險(xiǎn)性，更由于鋼中氫含量的提高而使鋼的性能變脆，使鋼容易脆性斷裂。

白點(diǎn)表面組織并無(wú)任何異常，無(wú)論顯微組織還是化學(xué)成分都與鄰處別無(wú)兩樣，因此，送檢樣品的低倍組織和化學(xué)成分均顯示合格，給判斷缺陷的成因帶來(lái)了干擾。白點(diǎn)是不允許的缺陷，而同樣當(dāng)量大小的夾雜物則可能是允許的，GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》標(biāo)準(zhǔn)中雖然將白點(diǎn)分為5級(jí)，但這僅起到表明白點(diǎn)嚴(yán)重程度的作用，這里不存在合格和不合格的問(wèn)題，在任何情況下都不能使用有白點(diǎn)的鍛件，不能用有白點(diǎn)的鋼材加工制造機(jī)器零件。

白點(diǎn)的缺陷波形特征是當(dāng)移動(dòng)探頭檢測(cè)到缺陷部位時(shí)，回波會(huì)此起彼伏，而且分布范圍較大，基本集中于工件的中心部位，波形尖銳活躍，重復(fù)性差，成群白點(diǎn)有時(shí)會(huì)使底波明顯降低甚至消失。因此，對(duì)原材料進(jìn)行超聲波探傷，可以檢測(cè)出該類(lèi)缺陷，從源頭進(jìn)行控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)隔離報(bào)廢，避免對(duì)楔橫軋軋制過(guò)程造成影響。

結(jié)束語(yǔ)

⑴原材料中存在白點(diǎn)，軋制時(shí)心部從白點(diǎn)裂紋源頭開(kāi)始擴(kuò)散，造成軋制的毛坯出現(xiàn)縮孔；

⑵在金相顯微鏡下觀察，即可發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，為缺陷定性提供了依據(jù)；

⑶利用超聲波探傷，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼材中存在白點(diǎn)，在有傷波的位置處，取原材料樣件進(jìn)行分析，有1個(gè)樣件發(fā)現(xiàn)了白點(diǎn)缺陷，印證了超聲波探傷的結(jié)論；

⑷發(fā)現(xiàn)原材料存在傷波時(shí)，在剖切的位置無(wú)法發(fā)現(xiàn)缺陷，是因?yàn)榱鸭y源較小，鋸切取樣無(wú)法精確取到缺陷所在的位置，這個(gè)是干擾對(duì)缺陷波進(jìn)行定性的最大難題。