45鋼銷(xiāo)軸表面發(fā)紋成因分析

鐘芳華, 李 娟, 劉年富, 鐘 凡, 吳學(xué)興

(1.寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司, 廣東 韶關(guān) 512123; 2. 廣東昆侖信息科技有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

45 鋼屬于中碳優(yōu)質(zhì)碳素鋼，經(jīng)過(guò)正火處理或調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)中[1-2]。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有較高的強(qiáng)度和塑性，并且具有一定的韌性，可用來(lái)制造齒輪、拉桿、銷(xiāo)軸、曲軸等各種零件，這類(lèi)零件大多要求產(chǎn)品表面具有高耐磨性和高硬度，而心部又必須具備高強(qiáng)度和韌性。某公司使用45圓鋼生產(chǎn)工程機(jī)械用銷(xiāo)軸，其生產(chǎn)工藝流程為：圓鋼→表面車(chē)削→調(diào)質(zhì)處理→矯直→精加工。在某次生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有1個(gè)銷(xiāo)軸在車(chē)削加工后表面發(fā)現(xiàn)有裂紋。

本文通過(guò)對(duì)缺陷樣的宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織、掃描電鏡和能譜結(jié)果進(jìn)行分析，確定了裂紋產(chǎn)生的原因。同時(shí)，提出了合理的預(yù)防措施，避免此類(lèi)缺陷的重復(fù)發(fā)生。

1 宏觀分析

銷(xiāo)軸缺陷樣的宏觀形貌如圖1所示，裂紋靠近銷(xiāo)軸的小頭端，距端部約3 mm左右，沿軸向延伸，裂紋細(xì)而直，長(zhǎng)度約為3～4 mm。

圖1 裂紋缺陷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of crack defects

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)銷(xiāo)軸缺陷樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，從表中可以看出，材料的各項(xiàng)成分均在國(guó)標(biāo)要求范圍內(nèi)，并無(wú)異常，說(shuō)明化學(xué)成分不是引起發(fā)紋的直接原因。

表1 45鋼銷(xiāo)軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)、(b)腐蝕前；(c)、(d)腐蝕后圖2 裂紋處顯微組織(a), (b) before corrosion; (c), (d) after corrosionFig.2 Microstructure of cracks

2.2 金相檢驗(yàn)

在缺陷樣裂紋處取樣，在橫向顯微觀察，腐蝕前后的形貌如圖2所示。從圖2(a)、2(b)中可以看出，裂紋深度很淺，只有約0.035 mm；裂紋底部圓滑，裂紋內(nèi)及周?chē)鸁o(wú)夾雜物存在。腐蝕后，裂紋處不存在脫碳現(xiàn)象，裂紋處組織與基體組織相一致，為珠光體+鐵素體，如圖2(c)、2(d)所示。

2.3 掃描電鏡與能譜分析

用掃描電鏡觀測(cè)缺陷樣，裂紋長(zhǎng)約3.66 mm，寬度約0.09 mm，如圖3所示。對(duì)圖3中的A、B區(qū)域進(jìn)行放大，觀察裂紋形貌，如圖4、圖5所示。從圖可以發(fā)現(xiàn)黑線(xiàn)形貌一部分表現(xiàn)為溝槽狀裂紋，另一部分則有物質(zhì)殘留在黑線(xiàn)縫隙中；通過(guò)能譜分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)溝槽狀裂紋內(nèi)和殘留在發(fā)紋縫隙中的物質(zhì)含有鎂、鋁、鈣等元素，這些物質(zhì)屬于鎂鋁尖晶石類(lèi)。

2.4 結(jié)果分析

從銷(xiāo)軸的化學(xué)成分和金相組織看，成分和組織都正常，未找到導(dǎo)致產(chǎn)生發(fā)紋的因素。

圖3 裂紋SEM形貌Fig.3 SEM morphology of crack

圖4 裂紋的A區(qū)放大形貌(a)及能譜圖(b)Fig.4 Amplified morphology of crack in area A(a) and energy spectrum (b)

圖5 裂紋的B區(qū)放大形貌(a)及能譜圖(b)Fig.5 Amplified morphology of crack in area B(a) and energy spectrum (b)

表2 A、B區(qū)能譜分析結(jié)果

從掃描電鏡和能譜分析結(jié)果看，發(fā)紋細(xì)而長(zhǎng)，能譜分析結(jié)果顯示發(fā)紋存在含鈣、鋁、鎂等元素的夾雜物。該類(lèi)夾雜物屬于鎂鋁尖晶石類(lèi)。劉軍會(huì)等[4]在研究45鋼活塞桿表面發(fā)紋成因時(shí)也發(fā)現(xiàn)相類(lèi)似夾雜物。此類(lèi)夾雜物主要來(lái)源于煉鋼過(guò)程，采用鋁脫氧的鋼，經(jīng)過(guò)精煉會(huì)產(chǎn)生大量鎂鋁尖晶石夾雜。其中鋁主要用于脫氧和細(xì)化晶粒，氧化鎂一般來(lái)源于精煉渣的卷入和耐火材料侵蝕。從表2的能譜分析結(jié)果看，夾雜物的鎂含量較低，應(yīng)該是來(lái)自精煉渣的卷入。有研究表明[5-6]，鈣酸鹽和鎂鋁尖晶石夾雜總會(huì)存在高堿度精煉渣生成的鋼中，因此，在連鑄過(guò)程中一定要注意避免此類(lèi)夾雜物進(jìn)入連鑄坯中，通過(guò)保護(hù)澆鑄與防止卷渣、結(jié)晶器內(nèi)夾雜物上浮等技術(shù)可避免此類(lèi)夾雜物進(jìn)入連鑄坯中，實(shí)現(xiàn)潔凈鋼生成。

3 結(jié)論

1)原材料中存在的大顆粒夾雜物是銷(xiāo)軸產(chǎn)生發(fā)紋的主要原因。

2)通過(guò)保護(hù)澆鑄與防止卷渣、結(jié)晶器內(nèi)夾雜物上浮等技術(shù)可減少此類(lèi)夾雜物的產(chǎn)生。