42CrMoA曲軸鍛件缺陷分析

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古014030)

曲軸是汽車、船用發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)車的關(guān)鍵零部件之一，是發(fā)動機(jī)的心臟。船用和內(nèi)燃機(jī)車用的大功率發(fā)動機(jī)曲軸對材料的性能要求比較高，國際上一般采用鍛造成型的方法生產(chǎn)。我公司最近生產(chǎn)的42CrMoA曲軸出現(xiàn)2支超聲檢測不合格，為查找原因，對這2支曲軸進(jìn)行了解剖分析。

1 超聲檢測情況

按照GB/T6402—2008的要求進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷在曲軸坯料的中、上部，深度基本在軸的中心一定范圍，且大多數(shù)為密集型缺陷，當(dāng)量比較大。從檢測波形特點(diǎn)分析，傾向于夾雜類缺陷；經(jīng)檢測定位，選取存在缺陷的1支曲軸進(jìn)行檢測，共切6片，1#、6#片進(jìn)行缺陷掃描電鏡及能譜分析；2#、5#片進(jìn)行低倍、斷口試驗(yàn)；3#、4#片檢測非金屬夾雜物、帶狀組織、全氧含量。圖1為取樣示意圖。

圖1 曲軸取樣示意圖Figure 1 Schematic diagram of crankshaft sampling

2 理化分析

2.1 低倍、非金屬夾雜物檢測分析

低倍組織檢測結(jié)果見表1。

表1 低倍檢測結(jié)果Table 1 Detection results of low power

非金屬夾雜物檢測結(jié)果見表2。

2.2 掃描電鏡觀察

該曲軸共切2個(gè)缺陷試片，分別是1#、6#試片，試片位置分別距印記端5600 mm、5070 mm，試片情況及缺陷位置見圖2。試片直徑均為270 mm，缺陷當(dāng)量分別為?2.8 mm、?2.5 mm。用磁軛探傷儀找到缺陷后，將缺陷處切成小試樣進(jìn)行分析。

(1)1#片試樣電鏡分析

將試樣進(jìn)行研磨拋光，在電鏡下觀測，發(fā)現(xiàn)條狀類缺陷，呈彎曲不規(guī)則走向，夾雜形成的連續(xù)紋路長度為1.6～2.0 mm，見圖3。放大后觀察，為夾雜物缺陷，個(gè)別呈單顆粒塊狀，部分區(qū)域夾雜物呈密集型分布。密集型夾雜物放大后形貌及背散射圖像見圖4。能譜分析結(jié)果為，條帶型缺陷成分為C、O、Al元素，判斷為Al2O3夾雜物。能譜分析見圖5、圖6。

(2)6#試樣電鏡分析

將試樣研磨拋光后，在電鏡下觀測，發(fā)現(xiàn)有與1#片試樣缺陷類似的條狀缺陷。放大后觀察，為夾雜物缺陷，個(gè)別呈單顆粒塊狀，見圖7、圖8。對夾雜物進(jìn)行能譜分析，成分為C、Mg、Al、O等元素，見圖9、圖10。

表2 非金屬夾雜物檢測結(jié)果Table 2 Detection results of non-metallic inclusions

圖2 1#、6#試片缺陷及局部放大圖Figure 2 Defects and partial enlargement of 1# and 6# test pieces

圖3 條帶缺陷Figure 3 Strip defects

圖4 密集型夾雜物放大后形貌及背散射圖像Figure 4 Microstructure and backscatter image of concentrated inclusions by enlargement

從電鏡能譜分析判斷，1#試樣缺陷為Al2O3夾雜物，而6#試樣的缺陷為Al2O3、MgO夾雜物，2個(gè)試片相距670 mm。

3 分析討論

對曲軸的非金屬夾雜物、帶狀組織、低倍等進(jìn)行理化檢測，將缺陷試樣在掃描電鏡下觀測并進(jìn)行能譜分析可知：

從大的方面看，所有缺陷都有聚集態(tài)夾雜物存在，而且缺陷尺度較大(大的達(dá)到6.125 mm×12.14 mm，小的長度也有2 mm左右，缺陷放大后觀察其形貌，是由大量的顆粒狀物團(tuán)聚而成，顆粒尺寸大部分為3～6 μm，個(gè)別顆粒達(dá)到13 μm左右)。加之本批曲軸采用鐓粗拔長工藝鍛造，鍛比8.69～15.32，且低倍檢測結(jié)果中心疏松級別為1級，因此可以排除鍛造因素。

元素重量(%)原子(%)凈強(qiáng)度Error(%)CKOKAlK19.3945.9634.6427.9849.7822.25138.49345.481273.8516.5515.988.72

圖5 EDS Spot 1點(diǎn)定量結(jié)果
Figure 5 Point quantitative results of EDS Spot 1

元素重量(%)原子(%)凈強(qiáng)度Error(%)CKOKAlK15.9846.6337.3923.6251.7724.6199.16325.931278.4516.8616.019.07

圖6 EDS Spot 2點(diǎn)定量結(jié)果
Figure 6 Point quantitative results of EDS Spot 2

圖7 條帶缺陷Figure 7 Strip defects

(a)單顆粒放大形貌(2400×)

(b)定量取樣位置(2400×)圖8 單顆粒放大形貌Figure 8 Amplification of single particle

3.1.1 缺陷夾雜性質(zhì)

對缺陷區(qū)域在電鏡下放大達(dá)一定倍數(shù)多次進(jìn)行能譜成分分析，顆粒狀夾雜的主要成分為Al、O元素，Ca、Mg元素的量很少，能譜分析中未發(fā)現(xiàn)Si、K、Na等元素。從電鏡微觀形貌看，單個(gè)夾雜物尺寸3～6 μm，尺寸不大。結(jié)合以上兩方面分析結(jié)果，可以確定夾雜物為脫氧產(chǎn)物或鋼錠凝固析出產(chǎn)物，而不是外來夾雜(或渣)。

元素重量(%)原子(%)凈強(qiáng)度Error(%)CKOKMgKAlK15.4643.1611.6629.7223.1348.478.6119.79115.12377.64385.97885.8216.715.9410.568.42

圖9 EDS Spot 1點(diǎn)定量結(jié)果
Figure 9 Point quantitative results of EDS Spot 1

元素重量(%)原子(%)凈強(qiáng)度Error(%)CKOKMgKAlKFeK5.5745.9613.2634.360.868.9855.5510.5524.630.328.03361.83389.3886.368.918.4515.9610.998.6835.22

圖10 Selected Area 1點(diǎn)定量結(jié)果
Figure 10 Point quantitative results of Selected Area 1

3.1.2 冶煉過程

從生產(chǎn)工序看，產(chǎn)生夾雜物的工序可能是冶煉、精煉過程，也可能是鑄錠及鋼錠凝固過程。

(1)冶煉、精煉過程

在缺陷分析時(shí)所檢測曲軸中心氧化物夾雜級別高是由于夾雜在中心聚集所致(檢測缺陷位于曲軸中心范圍)，這與檢測結(jié)論是吻合的。而夾雜物尺寸較小(3～6 μm)，上述夾雜物大面積偏聚的現(xiàn)象應(yīng)該不是在溫度條件較好的冶煉階段形成的。

(2)澆注、凝固過程

吊包溫度、鎮(zhèn)靜時(shí)間見表3。從表3可知，該爐曲軸鎮(zhèn)靜時(shí)間為40 min，澆注時(shí)間40 min，鎮(zhèn)靜時(shí)間比較長，由此分析，在鎮(zhèn)靜、澆注過程中，鋼水溫度隨著鎮(zhèn)靜、澆注時(shí)間的延長而持續(xù)下降(約0.3～0.4℃/min)，按0.4℃/min的溫降，澆注結(jié)束時(shí)鋼水溫度1513℃，理論計(jì)算鋼水過熱度只有18℃，流動性較差。且由于鋼水溫度低，頂層鋼水在澆注結(jié)束加入發(fā)熱劑時(shí)，會使鋼水溫度進(jìn)一步降低(因?yàn)榘l(fā)熱劑起火發(fā)熱之前要吸熱)，甚至頂部結(jié)殼而形成結(jié)晶雨，下落的結(jié)晶雨攜帶鋼水中夾雜物下落形成沉積堆。

鋼錠頂部一旦結(jié)殼，靠發(fā)熱劑加熱難以熔化，只能愈結(jié)愈厚，形成鋼錠全方位向中心凝固的態(tài)勢。這種情況下，鋼錠凝固析出的氣體難以排出，自下而上的順序凝固規(guī)律被破壞，導(dǎo)致錠身中心部位鋼水甚至形成“真空”，鋼水循環(huán)流動速度降低，夾雜物無法充分上浮被保護(hù)渣吸附；而鋼錠中心結(jié)晶枝干到最后相互搭橋，枝晶間補(bǔ)縮通道被阻斷，無法及時(shí)補(bǔ)充鋼水，使得脫氧產(chǎn)物或凝固過程中析出的氧化物滯留在鋼錠中心部位結(jié)晶前沿，形成夾雜富集[1-2]。

表4為澆注速度統(tǒng)計(jì)情況?？梢钥闯?，該爐曲軸1#～4#鋼錠的錠身、冒口的澆注速度明顯低于工藝要求，7#～8#鋼錠冒口的澆注速度明顯低于工藝要求，整體澆注速度偏慢。在鋼水溫度已經(jīng)低于正常溫度的情況下，澆注速度的下降造成鋼水的流動性變差，使鋼錠凝固過程加快，不利于鋼中夾雜物的上浮，易于形成上文提到的結(jié)殼、結(jié)晶雨等問題。

表3 吊包溫度、鎮(zhèn)靜時(shí)間Table 3 Ladle temperature and sedation time

表4 澆注工藝參數(shù)Table 4 Parameters of pouring process

綜上所述，本批曲軸檢測問題的主要原因如下：

一是吊包到開澆時(shí)間長導(dǎo)致鋼水溫度低，鋼水進(jìn)入模內(nèi)流動性差，鋼液凝固速度加快，導(dǎo)致鋼中的夾雜物不能充分上浮、鋼液凝固過程中析出的氧化物滯留在鋼水中，并聚集在凝固前沿形成夾渣缺陷，造成檢測不合格。

二是因?qū)嶋H注速慢，其結(jié)果同樣會形成嚴(yán)重沉積堆或夾雜物在凝固過程中析出富集，進(jìn)而造成檢測缺陷。

4 結(jié)論

(1)檢驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致超聲檢測不合格的原因?yàn)殄懠A雜物尺寸超標(biāo)，部分夾雜物發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致鍛件性能降低。

(2)分析表明，夾雜物來源于煉鋼過程，通過對吊包溫度、鎮(zhèn)靜時(shí)間和澆注溫度、澆注速度進(jìn)行有效控制，可解決此問題。