輸入軸螺紋端部裂紋分析

譚曉郃

(廣東富華重工制造有限公司，廣東江門 529262)

0 引言

驅(qū)動(dòng)橋的輸入軸將傳動(dòng)軸輸出的力矩傳送至車輪，輸入軸在工作過(guò)程中承受較大的扭矩和沖擊導(dǎo)致疲勞，它是關(guān)系到車輛行駛安全的關(guān)鍵零部件。某公司生產(chǎn)的輸入軸選用42CrMoH超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，可以滿足使用要求。但在機(jī)加工輸入軸鍛造件時(shí)，發(fā)現(xiàn)一件產(chǎn)品在一端螺紋處有孔洞裂紋缺陷，切試樣后發(fā)現(xiàn)內(nèi)外部各有1條裂紋，根據(jù)裂紋形貌及金相檢驗(yàn)，初步分析為鍛造加熱過(guò)燒造成的。但無(wú)法判斷是由于加熱溫度過(guò)高，還是原材料有缺陷造成的鍛造開(kāi)裂，為此展開(kāi)全面深入的分析。

1 輸入軸開(kāi)裂試樣理化檢驗(yàn)、SEM形貌及能譜分析

1.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

檢驗(yàn)設(shè)備SPECTROMAXx05，檢驗(yàn)條件符合GB/T 5216-2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)成分的技術(shù)要求，表1為輸入軸開(kāi)裂試樣化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 裂紋宏觀特征

在輸入軸軸端螺紋表面有氣孔及渣坑的部位線切割切片，如圖1(a)所示。圖1(b)為上述切片的上半部(試樣1)的軸向截面，能夠看到貫通螺紋表面與軸線平行的粗裂紋和一條向左下方延長(zhǎng)的粗裂紋形貌。該圖中還有一條1/4軸徑到軸心的呈45°角的細(xì)裂紋。圖1(c)是試樣1中豎線側(cè)的截面圖，可看到圖1(a)的粗裂紋已達(dá)到下側(cè)的軸心部。圖1(d)為圖1(a)中試樣的下半部(試樣2)的軸向橫截面，未見(jiàn)裂紋。

1.3 宏觀硬度檢驗(yàn)

輸入軸調(diào)質(zhì)硬度技術(shù)要求表面硬度269HBW～320HBW，距表面13 mm處不小于242HBW。如圖1(d)所示，對(duì)試樣2軸向截面檢測(cè)，螺紋旁臺(tái)階軸處表面硬度228HBW，低于技術(shù)要求；距表面13 mm處硬度256HBW、軸心部硬度246HBW，符合技術(shù)要求。

1.4 非金屬夾雜物、熱處理調(diào)質(zhì)金相檢驗(yàn)

(1)磨拋試樣2軸向截面，未腐蝕時(shí)進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)。按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》附錄A評(píng)定，結(jié)果為A0、B0、C0、D1.5，符合均小于：A2/A1.5e、B2/B2e、C1/C1e、D1.5e的技術(shù)要求。圖2(a)為距表面13 mm處的軸向截面，由檢驗(yàn)結(jié)果推斷其含有很少的硫化物、氧化鋁、硅酸鹽類夾雜物。

(2)調(diào)質(zhì)金相組織技術(shù)要求距表面13 mm處為1～4級(jí)。橫向磨拋試樣2，用3%質(zhì)量濃度的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣2，如圖2(b)所示。檢測(cè)結(jié)果為：距表面13 mm處，回火索氏

體組織較均勻，碳化物細(xì)小且均勻分布在基體上，有微量鐵素體。按GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》評(píng)定，結(jié)果為2級(jí)，調(diào)質(zhì)組織合格。另外，試樣2晶粒度為6～7級(jí)，符合該公司晶粒度等級(jí)為5級(jí)以上的技術(shù)要求。

圖2 試樣2金相組織

1.5 試樣1孔洞裂紋區(qū)域微觀金相分析

(1)觀察試樣1裂紋區(qū)未腐蝕金相，如圖3(a)—圖3(c)所示。可看到大小不一的孔洞，深不見(jiàn)底，邊緣有細(xì)小裂紋，熔洞及內(nèi)部裂紋均有氧化現(xiàn)象。

圖3 試樣1裂紋區(qū)微觀組織

(2)對(duì)試樣1軸向截面裂紋區(qū)進(jìn)行3%質(zhì)量濃度的硝酸乙醇溶液腐蝕金相檢驗(yàn)。如圖3(d)所示，齒部附近出現(xiàn)黑色網(wǎng)狀晶界并伴有孔洞，此區(qū)域晶粒粗大為3～4級(jí)；從圖3(e)可看到孔熔洞有氧化的晶界裂紋向外延伸；圖3(f)所示為細(xì)裂紋沿晶界走向。

1.6 試樣1裂紋的SEM檢測(cè)圖和能譜分析

圖4(a)、圖4(b)分別為黑色晶界的SEM形貌圖及元素譜線圖，主要元素譜線高低依次為Fe、Mn、Mo、P、Cr、C元素，包含磷化鐵的組成元素磷；圖4(c)、圖4(d)分別為另一黑色晶界的SEM形貌圖及元素譜線圖，主要元素譜線高低依次為Fe、Mn、O、Cr、C元素，主要為氧化物的組成元素；圖4(e)、圖4(f)分別為沿缺陷孔洞裂紋處擠開(kāi)的斷口的SEM形貌圖及元素譜線圖，斷口呈石狀，分布大量孔洞及微細(xì)裂紋，主要元素譜線高低依次為Fe、O、Cr元素。

圖4 試樣1裂紋處SEM圖和能譜分析圖

2 輸入軸加工過(guò)程及工藝分析

輸入軸產(chǎn)品工藝流程：下料φ75 mm×(480±1)mm→中頻加熱(1 150±50) ℃→10 MN液壓機(jī)鍛造→打磨→多用爐調(diào)質(zhì)→拋丸→熒光磁粉探傷→打磨→機(jī)加工(肉眼發(fā)現(xiàn)螺紋氣孔型缺陷)→表面淬火→回火→校直→精車磨→探傷。

鍛造件如圖5所示，螺紋處鍛造為φ76±1 mm，與下料直徑φ75 mm相比，變化很小。將該螺紋端粗車至φ64 mm，調(diào)質(zhì)工藝為淬火840 ℃×120 min；回火(610～670)℃×(120～150)min；最后經(jīng)機(jī)加工，螺紋外徑為φ60 mm。

圖5 鍛件尺寸示意

3 綜合分析

3.1 材質(zhì)低倍等金相檢驗(yàn)與熱處理分析

(1)圓鋼表面缺陷如劃傷、裂紋、折疊、結(jié)疤、耳子、彎曲、翹皮、表面夾雜等缺陷在檢驗(yàn)中都很容易被觀察到。原材料內(nèi)部缺陷，如疏松、內(nèi)部裂紋、氣泡、孔洞、宏觀夾雜物孔洞狀、連鑄過(guò)程中皮下卷渣(Ca·Mg·Al氧化物)等，均可以通過(guò)低倍檢驗(yàn)確認(rèn)。

該批次輸入軸原材料是經(jīng)外觀尺寸檢驗(yàn)合格，低倍及金相檢驗(yàn)合格后入庫(kù)的。開(kāi)裂的輸入軸經(jīng)光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分符合42CrMoH材質(zhì)要求，非金屬夾雜物合格。因此，該批次輸入軸原材料符合該公司技術(shù)要求。

(2)試樣調(diào)質(zhì)組織及晶粒度均符合該公司技術(shù)要求，表面硬度不符合技術(shù)要求，即熱處理工藝還需要調(diào)整優(yōu)化。

3.2 裂紋宏觀、微觀過(guò)燒特征及能譜分析

(1)過(guò)燒的輸入軸表面呈現(xiàn)雞爪狀和樹(shù)皮狀裂紋。由于含銅元素的鋼選擇性氧化，銅含量富集，更易形成樹(shù)皮狀表面。雖然能譜分析未檢測(cè)出銅元素，但是從圖6(a)、圖6(b)可看到輸入軸表面裂紋符合雞爪狀特征。嚴(yán)重過(guò)燒表面會(huì)有很厚的桔皮狀氧化皮，如圖7所示。

圖6 2件輸入軸表面裂紋及軸向切樣

圖7 嚴(yán)重過(guò)燒表面(很厚的桔皮狀氧化皮)

(2)過(guò)燒的輸入軸金相特征是孔熔洞形裂紋在表面及內(nèi)部沿晶界分布，局部呈尖角狀，大小不一，深不見(jiàn)底，邊緣有細(xì)小裂紋，如圖3(a)—圖3(c)所示。

(3)擠開(kāi)過(guò)燒的輸入軸裂紋后，發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)石狀，上面分布大量孔洞及微細(xì)裂紋，如圖4(e)所示。

(4)爐氣中的氧滲透到超高溫鋼的晶界處，使晶界氧化，過(guò)燒時(shí)除了基體有明顯的魏氏組織外，沿晶粒邊界(網(wǎng)狀)還分布有黑色氧化物。加熱時(shí)，由于硫化物溶解并向晶界偏析，會(huì)形成富硫。同時(shí)，磷在液相的溶解度較固溶體中大，易引起磷原子由固相向液相擴(kuò)撒，即晶界上富硫磷的液體在冷卻過(guò)程中，形成硫化錳鐵共晶體和磷化鐵薄膜，沿晶界形成富磷層[1]。過(guò)燒導(dǎo)致晶粒間彼此的結(jié)合力大為降低，塑性變差，使得鋼在壓力加工過(guò)程中會(huì)開(kāi)裂。

對(duì)過(guò)熱、過(guò)燒的判定：結(jié)構(gòu)鋼以晶界出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體判為過(guò)熱，有孔洞判為過(guò)燒。過(guò)燒晶界氧化或熔化顯微特征：粗大A晶粒，魏氏體組織，原始A晶界處形成富磷、硫燒熔層及原A晶界上有硫化錳、磷化鐵沉淀。

該輸入軸裂紋試樣的黑色網(wǎng)狀晶界上檢驗(yàn)出Fe、Mn、O、Mo、P、Cr、C元素，這些元素是氧化物及磷化物的組成元素。因此，試樣1符合上述過(guò)燒特征。

3.3 冶金非金屬夾雜物及低熔點(diǎn)脆性物能譜甄別

冶金非金屬夾雜物分以下幾類：(1)硫化物，如FeS、MnS、CaS；(2)氧化物，如MnO、FeO、Al2O3、SiO2、MgO、Cu2O等；(3)屬于氧化系的硅酸鹽類，如2FeO·SiO2、2MnO·SiO、CaO·SiO等(全部或部分以玻璃態(tài)形式存于鋼中)；(4)氮化物，如VN、AlN、TiN等；(5)硫化物、氧化鋁、硅酸鹽類。

氧化物的熔點(diǎn)很高，只有達(dá)到過(guò)燒的溫度，才可以使之液析聚集在晶界中[1]。單純的過(guò)燒只能得到氧化物，得不到銅網(wǎng)。開(kāi)裂試樣黑色晶界微觀能譜表明：無(wú)Ca·Mg·Al氧化物，沒(méi)有低熔點(diǎn)硫化物，也沒(méi)有銅元素，即未檢測(cè)出3類低熔點(diǎn)脆性物(銅脆、紅脆、錫脆)的組成元素。因?yàn)樵牧线M(jìn)貨驗(yàn)收合格、試樣非金屬夾雜物檢驗(yàn)合格，結(jié)合上述能譜分析，可以排除原材料中宏觀及微觀冶金夾雜物因素。

3.4 鍛造溫度、中頻加熱及其測(cè)量

(1)按規(guī)范，鍛造加熱溫度為1 150～1 200 ℃，開(kāi)始鍛造溫度為1 130～1 180 ℃，終止溫度大于850 ℃，始鍛溫度主要受過(guò)熱和過(guò)燒溫度的限制。輸入軸合適的鍛造加熱溫度為(1 150±50) ℃。

由于42CrMo鋼內(nèi)部有偏析，當(dāng)42CrMo鋼在氧化性氣氛中加熱接近固相線時(shí)，如42CrMo鋼始鍛溫度在1 200～1 220 ℃時(shí)，持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就容易產(chǎn)生析出物或雜質(zhì)。偏析的晶界熔點(diǎn)低，可能會(huì)開(kāi)始熔化，氧通過(guò)熔化了的晶界侵入并在晶界上形成氧化物，造成局部過(guò)燒，形成熱加工中的重大缺陷[2]。

(2)福島正武[3]研究了感應(yīng)加熱中碳鋼軋輥內(nèi)的溫度分布，計(jì)算并實(shí)測(cè)了直徑為30～140 mm的軋輥表層溫度分布，得出了軋輥內(nèi)部比表面溫度高并且溫度峰值的位置隨電源頻率增加而向內(nèi)側(cè)移動(dòng)的結(jié)果。從加熱效果看，不銹鋼種鑄坯料在感應(yīng)加熱過(guò)程時(shí)，快速加熱階段溫差較大，并且徑向溫差大于縱向溫差；均熱階段最大溫差可降至40 ℃以下[4]。坯料溫度分布規(guī)律：加熱階段，表面溫度最高；均熱階段，最高溫度區(qū)域從表面向內(nèi)部移動(dòng)，隨均熱時(shí)間的延長(zhǎng)，心部溫度會(huì)超過(guò)表面溫度。由于端部效應(yīng)的影響，若感應(yīng)圈的抽頭位置不當(dāng)，線圈與坯料的長(zhǎng)度比過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致坯料兩端過(guò)熱[4]。因此，中頻加熱軸坯料時(shí)，不同狀態(tài)的心部溫度可能高于或低于表面溫度，軸端部分過(guò)熱。

不同于上述單件加熱模式，鍛造車間中頻加熱爐爐膛有4.4支輸入軸軸坯料[爐膛長(zhǎng)2.1 m，軸坯料長(zhǎng)(480±1) mm]，最前端加熱的軸坯料被后續(xù)坯料頂出中頻加熱爐膛時(shí)，在白天能肉眼觀察到前半段溫度明顯高于后半段溫度(由于非整數(shù)倍尺寸關(guān)系，導(dǎo)致0.4支軸坯料即前半段提前加熱，且整段的后續(xù)加熱沒(méi)有均勻化)，預(yù)估有150 ℃左右溫差。日常工作中測(cè)量過(guò)，前半段溫度為1 232 ℃，后半段溫度為1 070 ℃，差值為162 ℃。顯然，如果后半段溫度達(dá)到1 200 ℃，前半段很容易超過(guò)1 300 ℃以上，造成過(guò)燒。

(3)中頻加熱爐使用固定式紅外測(cè)溫儀，測(cè)點(diǎn)位垂直對(duì)著被頂出爐膛后的軸坯，如圖8所示，出爐軸坯料快速降溫，其測(cè)量值波動(dòng)很大，最高測(cè)量溫度值比爐膛內(nèi)軸坯料實(shí)際最高溫度低。中頻參數(shù)不穩(wěn)定及工件移動(dòng)受阻等原因，都會(huì)使中頻爐膛軸坯料處于超高溫狀態(tài)。手持紅外測(cè)溫儀只用來(lái)周期性測(cè)量

軸坯料加熱溫度，因測(cè)點(diǎn)位對(duì)著加熱爐膛口的出爐坯料，反映的實(shí)際工件溫度比固定式紅外儀測(cè)量相對(duì)更準(zhǔn)確些，但因不能連續(xù)測(cè)量，故偶爾會(huì)有遺漏的超高或超低溫工件。

圖8 中頻加熱爐及紅外測(cè)溫儀

4 后續(xù)檢查及過(guò)燒驗(yàn)證

(1)對(duì)上述過(guò)燒的同批次輸入軸，使用熒光磁粉探傷發(fā)現(xiàn)5件輸入軸開(kāi)裂，圖6僅列出2件并剖開(kāi)1件。5件開(kāi)裂輸入軸與文中分析的開(kāi)裂輸入軸外表裂紋相似，位置近乎相同，其中切開(kāi)的開(kāi)裂件與試樣1的內(nèi)部裂紋也相似。1千多件產(chǎn)品中有6件開(kāi)裂，約占0.5%。

(2)鍛造車間做過(guò)超過(guò)工藝溫度的佐證試驗(yàn)，將φ75 mm圓鋼車加工至φ65 mm(去掉可能的表面缺陷干擾)，加熱到1 307 ℃后鍛造，如圖9所示，內(nèi)部有熔融的孔洞形及軸向多條裂紋，白色共晶物，晶粒粗大，與試樣1裂紋態(tài)相似，只是過(guò)燒程度更大些。

圖9 鍛造加熱過(guò)燒驗(yàn)證

5 結(jié)束語(yǔ)

輸入軸試樣原材料檢驗(yàn)合格，開(kāi)裂試樣宏觀及微觀結(jié)果均符合過(guò)燒特征，因此判定：鍛造中頻加熱溫度過(guò)高，致使該輸入軸被過(guò)燒，造成鍛造開(kāi)裂，以下幾點(diǎn)可避免鍛造開(kāi)裂。

(1)調(diào)整中頻加熱爐的推料機(jī)構(gòu)，避免軸坯料出爐前后溫差過(guò)大。

(2)增加紅外測(cè)溫儀，使其測(cè)量點(diǎn)位斜向?qū)χ蓄l感應(yīng)加熱爐膛口，應(yīng)可自動(dòng)記錄溫度且具有超溫報(bào)警功能，保證能及時(shí)準(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)，為嚴(yán)格檢查超溫鍛件及追蹤提供保障。

(3)毛坯上氧化皮的存在使得磁粉探傷作用不大，因此磁粉探傷應(yīng)移至機(jī)加工后進(jìn)行，如不移動(dòng)，可在調(diào)質(zhì)前增加粗車。

(4)表面硬度低于心部硬度，不符合要求，回火溫度范圍過(guò)大，熱處理工藝還需要調(diào)整優(yōu)化。