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燒造成的。但無法判斷是由于加熱溫度過高，還是原材料有缺陷造成的鍛造開裂，為此展開全面深入的分析。

1 輸入軸開裂試樣理化檢驗(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》對成分的技術(shù)要求，表1為輸入軸開裂試樣化學(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，對試樣2軸向截面檢測，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定-標(biāo)準(zhǔn)評級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》附錄A評定，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 金相組織評級(jí)圖及評定方法》評定，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、連鑄過程中皮下卷渣(Ca·Mg·Al氧化物)等，均可以通過低倍檢驗(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)合格后入庫的。開裂的輸入軸經(jīng)光譜儀檢測其化學(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、微觀過燒特征及能譜分析

(1)過燒的輸入軸表面呈現(xiàn)雞爪狀和樹皮狀裂紋。由于含銅元素的鋼選擇性氧化，銅含量富集，更易形成樹皮狀表面。雖然能譜分析未檢測出銅元素，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)重過燒表面(很厚的桔皮狀氧化皮)

(2)過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，深不見底，邊緣有細(xì)小裂紋，如圖3(a)—圖3(c)所示。

(3)擠開過燒的輸入軸裂紋后，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程中會(huì)開裂。

對過熱、過燒的判定：結(jié)構(gòu)鋼以晶界出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體判為過熱，有孔洞判為過燒。過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)到過燒的溫度，才可以使之液析聚集在晶界中[1]。單純的過燒只能得到氧化物，得不到銅網(wǎng)。開裂試樣黑色晶界微觀能譜表明：無Ca·Mg·Al氧化物，沒有低熔點(diǎn)硫化物，也沒有銅元素，即未檢測出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、中頻加熱及其測量

(1)按規(guī)范，鍛造加熱溫度為1 150～1 200 ℃，開始鍛造溫度為1 130～1 180 ℃，終止溫度大于850 ℃，始鍛溫度主要受過熱和過燒溫度的限制。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)間過長就容易產(chǎn)生析出物或雜質(zhì)。偏析的晶界熔點(diǎn)低，可能會(huì)開始熔化，氧通過熔化了的晶界侵入并在晶界上形成氧化物，造成局部過燒，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，心部溫度會(huì)超過表面溫度。由于端部效應(yīng)的影響，若感應(yīng)圈的抽頭位置不當(dāng)，線圈與坯料的長度比過大，會(huì)導(dǎo)致坯料兩端過熱[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2.1 m，軸坯料長(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)加熱沒有均勻化)，預(yù)估有150 ℃左右溫差。日常工作中測量過，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1 300 ℃以上，造成過燒。

(3)中頻加熱爐使用固定式紅外測溫儀，測點(diǎn)位垂直對著被頂出爐膛后的軸坯，如圖8所示，出爐軸坯料快速降溫，其測量值波動(dòng)很大，最高測量溫度值比爐膛內(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)。手持紅外測溫儀只用來周期性測量

軸坯料加熱溫度，因測點(diǎn)位對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量相對更準(zhǔn)確些，但因不能連續(xù)測量，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溫儀

4 后續(xù)檢查及過燒驗(yàn)證

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

(2)鍛造車間做過超過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，只是過燒程度更大些。

圖9 鍛造加熱過燒驗(yàn)證

5 結(jié)束語

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

(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大。

(2)增加紅外測溫儀，使其測量點(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，回火溫度范圍過大，熱處理工藝還需要調(diào)整優(yōu)化。