SCr420 曲軸表面發(fā)紋原因分析

劉明遠(yuǎn)

（河鋼集團(tuán)宣化鋼鐵公司，河北075100）

0 引言

SCr420 為低淬透性滲碳鋼，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)中，屬于日本JIS 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械制造用合金鋼，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)牌號(hào)為20Cr。 該鋼種大多用于制造心部強(qiáng)度要求較高，表面承受磨損、形狀復(fù)雜而負(fù)荷不大的滲碳零件。 日本某機(jī)械制造廠外協(xié)單位使用SCr420 圓鋼生產(chǎn)通用機(jī)械曲軸，其生產(chǎn)工藝流程為：圓鋼→下料→粗車(chē)加工→檢驗(yàn)→滲碳淬火→二次檢驗(yàn)→精磨拋光→磁粉探傷→包裝入庫(kù)。 該廠在某次對(duì)成品曲軸進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)該批產(chǎn)品不合格率偏高，產(chǎn)品存在表面發(fā)紋。

發(fā)紋是磁粉探傷中經(jīng)常遇到的一種原材料缺陷，它屬于線(xiàn)狀缺陷[1]。 為此對(duì)該批產(chǎn)品發(fā)紋試樣的宏觀形貌、化學(xué)成分、夾雜物和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定了發(fā)紋產(chǎn)生的原因，并制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 曲軸發(fā)紋缺陷宏觀分析

直徑為φ30 mm 的圓鋼經(jīng)機(jī)加工后制成φ28.5 mm 規(guī)格曲軸，在偏心軸頭處發(fā)現(xiàn)發(fā)紋缺陷，對(duì)缺陷部位進(jìn)行取樣，宏觀形貌見(jiàn)圖1（a）、圖1（b）。

宏觀觀察，該裂紋靠近軸頭端部，沿軸向呈直線(xiàn)延伸至主軸內(nèi)部，長(zhǎng)度10 mm，距主軸外表面20 mm，按其加工工藝判斷為原材料內(nèi)部缺陷，對(duì)裂紋局部放大后，裂紋深度較淺，可見(jiàn)底部，橫向無(wú)開(kāi)裂延伸，形貌如圖1（c）。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 裂紋試樣化學(xué)成分檢測(cè)

使用直讀光譜儀、氧氮分析儀對(duì)裂紋試樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，該試樣化學(xué)成分符合要求。

圖1 裂紋缺陷形貌

表1 發(fā)紋缺陷試樣化學(xué)成分分析

2.2 裂紋試樣金相檢驗(yàn)

利用徠卡DMI5000M 金相顯微鏡對(duì)缺陷試樣進(jìn)行觀測(cè)，為避免試樣在切割、磨制加工過(guò)程中受到外部影響，只對(duì)試樣進(jìn)行了拋光處理，其顯微鏡下形貌如圖2 所示。 由圖2 可以看出：試樣縱截面發(fā)紋形貌如圖2a 所示，裂紋沿軸向分布，裂紋末端未貫通，寬度較為均勻，裂紋周邊分布有顆粒狀非金屬氧化物；橫截面裂紋形貌如圖2b 所示，裂紋寬0.016 mm，深0.013 mm，底部尖銳，但無(wú)向基體延伸趨勢(shì)。

在100 倍視場(chǎng)下對(duì)縱截面（圖2a）裂紋周?chē)鷬A雜物尺寸進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可以看出，縱截面發(fā)紋缺陷周?chē)墙饘賷A雜物尺寸較大，最大直徑可達(dá)78.6μm，接近常規(guī)夾雜物最大評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上限。 部分夾雜物處出現(xiàn)了孔洞，疑似夾雜物脫落導(dǎo)致。

圖2 發(fā)紋缺陷部位顯微形貌

圖3 縱截面夾雜物形態(tài)

2.3 掃描電鏡能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)單顆粒夾雜物進(jìn)行觀察，其形貌及能譜如圖4 所示。 由圖4 可以看出，該夾雜物主要成分為Al、Ca，綜合國(guó)內(nèi)其他學(xué)者對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的研究分析[2，3]，認(rèn)為發(fā)紋缺陷極有可能是夾雜物聚集造成。

為進(jìn)一步對(duì)此進(jìn)行分析，對(duì)裂紋試樣進(jìn)行了掃描電鏡圖譜分析，裂紋形貌見(jiàn)圖5a，縱截面發(fā)紋呈溝槽狀，寬度不均，內(nèi)部有大量夾雜物填充。 為確定夾雜物成分組成，對(duì)裂紋內(nèi)夾雜物進(jìn)行了能譜分析及EDS 能譜面掃描，觀測(cè)位置如圖5a、5c 所示，能譜分析結(jié)果如圖5b 所示，F(xiàn)e、Ca、Al 元素面分布如5d、5e、5f 所示。

圖4 夾雜物電鏡SEM 形貌及EDS 譜

3 結(jié)果分析

從缺陷試樣的化學(xué)成分及金相分析來(lái)看，未能找到發(fā)紋形成的直接原因。 通過(guò)電鏡分析，發(fā)紋內(nèi)部夾雜物與周?chē)鷬A雜物成分對(duì)應(yīng)性較強(qiáng)，夾雜物主要成分為Al、Ca，而試樣基體未發(fā)現(xiàn)以上元素分布，結(jié)合該鋼種冶煉過(guò)程中使用Al 作為脫氧劑、 用Ca線(xiàn)進(jìn)行變性處理，說(shuō)明發(fā)紋的形成與Al、Ca 夾雜物有直接關(guān)系。 Al、Ca 夾雜物在冶煉和連鑄過(guò)程中均可產(chǎn)生。

圖5 發(fā)紋缺陷SEM 及EDS

（1）由于鋁為活潑元素，在脫氧過(guò)程中，易與鋼中氧結(jié)合，生成球狀或點(diǎn)狀的Al2O3夾雜，部分鋁可與鋼中自由氧激烈反應(yīng)形成樹(shù)枝結(jié)構(gòu)的氧化鋁夾雜（氧化鋁簇）；精煉過(guò)程加入Ca 使Al2O3變性，但Ca 加入量過(guò)多又容易形成固態(tài)的鈣鋁酸鹽和硫化鈣夾雜物，但不論是Al2O3還是鈣鋁酸鹽，其塑性都非常低，同時(shí)具有超過(guò)鋼水溫度的高熔點(diǎn)，而且其在通常的鋼包深度下，小顆粒的夾雜物上浮速率有限，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能上浮到達(dá)鋼渣表面，所以在精煉過(guò)程進(jìn)行氬氣攪拌從而促進(jìn)夾雜物的聚合成團(tuán)，最終上浮進(jìn)入渣中，但鋼水中仍會(huì)有部分殘留。在中包澆鑄過(guò)程中，該類(lèi)夾雜物都容易聚集，嚴(yán)重時(shí)會(huì)生成絮流，導(dǎo)致水口堵塞。

（2） 結(jié)合發(fā)紋缺陷試樣化學(xué)成分分析，Al 含量接近內(nèi)控上限，但未超過(guò)要求范圍。 在試樣中出現(xiàn)鋁、鈣類(lèi)氧化物，除脫氧及變性處理過(guò)程造成內(nèi)生夾雜物的原因外，還有可能是鑄坯澆鑄過(guò)程二次氧化造成。 目前，SCr420 澆鑄過(guò)程中主要采用大包長(zhǎng)水口氬封，中包加覆蓋劑及結(jié)晶器浸入式水口，并在結(jié)晶器液面加蓋保護(hù)渣全程保護(hù)澆鑄，把鋼液與空氣隔開(kāi)，防止鋼水二次氧化。 但由于中包下水口與浸入式水口之間密封性較差，鋼水在澆鑄過(guò)程中，空氣經(jīng)由水口連接處進(jìn)入鋼液，造成鋼水二次氧化，使鋼中夾雜物含量升高，進(jìn)而影響鋼的質(zhì)量[4]。 軋制時(shí)形成了應(yīng)力集中，

鋁、鈣類(lèi)氧化物屬于硬質(zhì)夾雜物，在軋制過(guò)程幾乎不變形，受力情況下易在夾雜物邊部形成應(yīng)力集中。 從而產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)微裂紋超出了基體的彌補(bǔ)能力后給裂紋擴(kuò)展創(chuàng)造了條件，隨著后續(xù)道次的軋制裂紋在軋件內(nèi)部沿軋制方向延伸，最終在機(jī)加工后暴露于曲軸表面。 當(dāng)夾雜物聚集形成鏈狀后，軋制后裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在磁粉探傷中易被發(fā)現(xiàn)，故判定為發(fā)紋。

4 工藝改進(jìn)

為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足用戶(hù)加工需求，避免鋼水二次氧化，在中包下水口與浸入式水口連接處加裝氬氣密封保護(hù)裝置。 工藝優(yōu)化前、后產(chǎn)品的氣體含量如表2 所示，塔形酸浸檢驗(yàn)表面質(zhì)量對(duì)比如圖6 所示。

由表2 可以看出，優(yōu)化后產(chǎn)品氣體含量下降較為顯著。 由圖6 可以看出，工藝優(yōu)化后產(chǎn)品塔形酸浸檢驗(yàn)表面質(zhì)量改善明顯。 同時(shí)采取氬氣密保護(hù)澆鑄封措施后，產(chǎn)品經(jīng)用戶(hù)加工后磁粉探傷發(fā)紋發(fā)生率明顯降低，滿(mǎn)足了用戶(hù)使用需求。

表2 對(duì)比試樣鋼中氣體含量 %

圖6 工藝優(yōu)化塔形酸浸檢驗(yàn)表面質(zhì)量對(duì)比

5 結(jié)論

綜上所述，以Al、Ca 為主的夾雜物聚集形成鏈狀，經(jīng)軋制后產(chǎn)生微裂紋隨之?dāng)U展、延伸是SCr420曲軸磁粉探傷后發(fā)現(xiàn)發(fā)紋的直接原因。 結(jié)合SCr420圓鋼生產(chǎn)工藝分析，認(rèn)為連鑄過(guò)程中鋼水二次氧化產(chǎn)生的夾渣是造成發(fā)裂的主要因素。 通過(guò)在中包下水口與浸入式水口連接處加裝氬封保護(hù)置的方式減少了鋼水二次氧化，降低了鋼中Al、Ca 為主的夾雜物，提升了曲軸磁粉探傷合格率。 建議今后鋼廠應(yīng)與用戶(hù)對(duì)材料的制造、加工、驗(yàn)收、使用形成共識(shí)，應(yīng)考慮用戶(hù)的使用需求，制定相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，增加塔形、無(wú)損探傷檢驗(yàn)項(xiàng)目。