曲軸法蘭開(kāi)裂失效分析

文／劉洋洋，李軍迎，吳傲宗，劉金蕾，宋國(guó)品·第一拖拉機(jī)股份有限公司鑄鍛廠

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，工作時(shí)要承受很大的轉(zhuǎn)矩以及交變的彎曲應(yīng)力，容易產(chǎn)生扭振、折斷及軸頸磨損，因此曲軸需要有較高的強(qiáng)度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度和耐磨性。因感應(yīng)淬火具有高效、節(jié)能、運(yùn)行可控等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為曲軸的主要表面強(qiáng)化方式之一。我廠鍛造的一批曲軸在客戶經(jīng)機(jī)加工→感應(yīng)淬火→磨削后在出現(xiàn)一定比例(約6%)的大頭法蘭處開(kāi)裂，為澄清事故責(zé)任，查明開(kāi)裂原因，及時(shí)采取措施進(jìn)行整改，降低后續(xù)隱性質(zhì)量損失，要求我廠對(duì)曲軸進(jìn)行失效分析。

該曲軸材料為42CrMoH，主要制造工藝流程為：下料→鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→機(jī)加工→感應(yīng)淬火→精加工→磁粉探傷→清洗。客戶在磨削加工后發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，從曲軸加工工藝流程分析，原材料缺陷、鍛造折疊、調(diào)質(zhì)淬火裂紋、感應(yīng)淬火裂紋及磨削加工操作不當(dāng)?shù)榷伎赡茉斐汕S開(kāi)裂，因此利用排除法進(jìn)行排除分析。

理化檢驗(yàn)

宏觀形貌

曲軸裂紋件經(jīng)CDG-4000 型熒光磁粉探傷檢驗(yàn)，裂紋宏觀形貌及分布如圖1 所示，裂紋為縱向裂紋，分布在曲軸大頭法蘭分模面處，長(zhǎng)度約6mm。

表1 失效曲軸的化學(xué)成分(wt%)

圖1 曲軸裂紋宏觀照片

化學(xué)成分檢測(cè)

在開(kāi)裂曲軸上進(jìn)行取樣，采用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示，開(kāi)裂曲軸的各項(xiàng)化學(xué)成分均符合GB/T 5216-2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)42CrMoH 鋼的技術(shù)要求。

非金屬夾雜、帶狀組織及材料淬透性檢測(cè)

⑴非金屬夾雜物。

曲軸軸向取樣，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》中的ISO 評(píng)級(jí)圖評(píng)定樣塊的非金屬夾雜物，檢測(cè)微觀組織見(jiàn)圖2，檢測(cè)結(jié)果：A 類(細(xì)系)1.5 級(jí)，D 類(粗系)0.5 級(jí)，未發(fā)現(xiàn)B、C、D 類的非金屬夾雜物。材質(zhì)要求A 類不大于2.5 級(jí)，D 類粗系不大于1.0 級(jí)，此曲軸材料的非金屬夾雜物符合技術(shù)要求。

⑵帶狀組織。

圖2 試樣非金屬夾雜物(100×)

圖3 帶狀組織(100×)

切取試樣加熱至880℃，保溫30分鐘后隨爐冷卻，經(jīng)研磨→拋光→腐蝕后，將試樣放置在光學(xué)顯微鏡下觀察帶狀組織(圖3)，依據(jù)GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》評(píng)定級(jí)別為3 級(jí)，符合技術(shù)要求。

⑶材料淬透性。

在曲軸本體上切取試樣進(jìn)行端淬試驗(yàn)，按照GB/T 225-2006《鋼的淬透性末端檢測(cè)方法》和GB/T 5216-2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)材料進(jìn)行加工、試驗(yàn)。檢測(cè)材料淬透性，檢測(cè)距淬火端距離J3、J5....J20 的硬度值分別為：59.5HRC、58HRC、57HRC、57HRC、56HRC、50HRC、45HRC，該檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

顯微組織分析

檢測(cè)試樣表面顯微組織與淬硬層一致，未見(jiàn)明顯二次淬火層及回火層。過(guò)渡區(qū)為鐵素體+珠光體?；w顯微組織為回火索氏體，如圖4 所示，依據(jù)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)定級(jí)別為2 級(jí)，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

在曲軸的裂紋處垂直于裂紋取樣，用蔡司Axio Lab A1 金相顯微鏡觀察，裂紋形貌見(jiàn)圖5，裂紋深度約1.4mm，由表向里延伸，延伸方向與表面垂直，裂紋曲折但宏觀剛挺，呈沿晶開(kāi)裂特征。試樣經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，顯微組織如圖5 所示，曲軸淬硬層組織為隱針馬氏體，按JB/T 9204-2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》金相評(píng)級(jí)為6 級(jí)，產(chǎn)品技術(shù)要求3 ～7級(jí)，符合產(chǎn)品要求。裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象，內(nèi)部未見(jiàn)明顯氧化物。

圖4 基體組織(500×)

淬硬層深及硬度檢測(cè)

曲軸大頭法蘭處淬硬層輪廓如圖6 所示，淬硬層輪廓均勻一致。用維氏硬度計(jì)對(duì)裂紋處表面硬度及淬硬層深進(jìn)行檢測(cè)，表面硬度52 ～53HRC，淬硬層深1.7mm，淬硬層深測(cè)至42HRC，層深檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。法蘭層深要求1 ～3mm，表面硬度50 ～56HRC，符合技術(shù)要求。

分析與討論

⑴曲軸的化學(xué)成分符合GB/T 5216-2014 中對(duì)42CrMoH 鋼的要求，非金屬夾雜物含量、材料淬透性也控制在正常范圍內(nèi)；帶狀組織3 級(jí)，不是造成開(kāi)裂的原因，曲軸材料符合要求。

⑵如果原材料有內(nèi)裂紋或中心疏松等缺陷，在鍛造或熱處理過(guò)程中由于加工應(yīng)力及熱應(yīng)力的影響在缺陷處會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂，延展到材料表面，或者材料鍛造時(shí)產(chǎn)生的“折疊”在調(diào)質(zhì)時(shí)未發(fā)現(xiàn)，后續(xù)經(jīng)中頻淬火后，在磨削加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，這兩種裂紋形態(tài)較深且寬。同時(shí)因材料經(jīng)過(guò)高溫鍛造加調(diào)質(zhì)處理，在金相顯微鏡下觀察斷面，可清楚地看到裂紋兩側(cè)有脫碳層。但是此裂紋兩側(cè)未見(jiàn)脫碳層，且裂紋形態(tài)較細(xì)，可以排除原材料內(nèi)部缺陷和鍛造折疊造成的開(kāi)裂。

圖5 曲軸金相組織及裂紋形態(tài)

圖6 淬硬層輪廓

圖7 顯微硬度檢測(cè)

⑶調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)不合理造成的淬火開(kāi)裂，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳層，但在感應(yīng)淬火時(shí)會(huì)影響感應(yīng)淬火硬化層的分布。無(wú)缺陷的金屬基體在感應(yīng)加熱時(shí)渦流影響區(qū)均勻加熱，淬硬層較均勻。當(dāng)基體有缺陷時(shí)，缺陷內(nèi)部就相當(dāng)于一種“磁阻”，磁力線趨向于沿基體中磁導(dǎo)率較高的缺陷邊界分布，缺陷邊界的磁通密度增加，從而形成一個(gè)包絡(luò)缺陷的高密度渦流區(qū)，感應(yīng)淬火后缺陷末端的淬硬層較其他位置深度增加。同時(shí)調(diào)質(zhì)裂紋一般在淬火過(guò)程中產(chǎn)生，后續(xù)在高溫回火時(shí)裂紋內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生明顯氧化物。通過(guò)觀察，裂紋試樣淬硬層(圖6)輪廓均勻一致，裂紋內(nèi)部無(wú)明顯氧化物，結(jié)合此兩點(diǎn)可排除調(diào)質(zhì)裂紋的可能性。

⑷磨削裂紋一般是零件在磨削加工時(shí)，因冷卻不當(dāng)使零件表面的溫度高于Ac3淬火產(chǎn)生的微裂紋，或因?qū)⑵浔砻婵焖偌訜嶂?50 ～200℃時(shí)(磨削溫度在300℃以上時(shí)，因體積再次縮小造成的磨削裂紋成龜裂特征，與此裂紋形態(tài)不符可直接排除)，表層馬氏體分解，體積縮小，而心部組織仍處于膨脹狀態(tài)，從而使表面層承受拉應(yīng)力而產(chǎn)生與磨削方向垂直或平行的微細(xì)裂紋。磨削裂紋特征：深度較淺，一般在0.5mm以下，數(shù)量較多且密。此批曲軸裂紋數(shù)量為1 ～2 條不等。此剖檢試樣的表面未見(jiàn)二次淬火層和回火層，深度和數(shù)量也不符合磨削裂紋的特征，結(jié)合這兩點(diǎn)可排除磨削裂紋的可能性。

⑸曲軸經(jīng)中頻感應(yīng)加熱淬火后，軸頸形成表面受壓、中間受拉或受壓的應(yīng)力分布特點(diǎn)，拉應(yīng)力峰值位置在靠近硬化層內(nèi)側(cè)處，或在硬化層結(jié)束的過(guò)渡區(qū)中，此處通常是零件失效的高發(fā)區(qū)，即感應(yīng)淬火出現(xiàn)開(kāi)裂的起始位置。失效曲軸裂紋深度1.4mm，淬硬層深度1.7mm，與此特征吻合。此裂紋曲折但整體剛挺，沿晶開(kāi)裂，符合淬火裂紋特征，另外曲軸分模面是鍛造多余金屬流出形成飛邊的中心面，因表面與心部金屬流動(dòng)速率不同形成的層狀結(jié)構(gòu)，抗撕裂能力較差。結(jié)合以上特點(diǎn)，確定該曲軸裂紋應(yīng)為感應(yīng)淬火工藝過(guò)程中產(chǎn)生的。

分析形成原因

通過(guò)分析和排除因素，最終確定曲軸開(kāi)裂是感應(yīng)淬火工藝過(guò)程控制不當(dāng)造成的，并分析其形成原因。

⑴曲軸感應(yīng)淬火組織為6 級(jí)，晶粒度較細(xì)，可能因曲軸加熱功率高，加熱速度快造成溫度梯度大，淬火層中的過(guò)渡層較小，拉應(yīng)力峰值較大且接近表面硬化層，當(dāng)淬火應(yīng)力超出材料強(qiáng)度時(shí)造成開(kāi)裂。

⑵曲軸淬火后未能及時(shí)回火或回火不充分，淬火殘余應(yīng)力過(guò)大，感應(yīng)淬火后出現(xiàn)延遲裂紋。

改進(jìn)意見(jiàn)

⑴適當(dāng)降低加熱功率，提高加熱時(shí)間，降低溫度梯度，增加淬硬層深，使拉應(yīng)力峰值向中心移動(dòng)，峰值降低，降低淬火應(yīng)力開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

⑵曲軸感應(yīng)淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火并適當(dāng)延長(zhǎng)回火時(shí)間，使淬火殘余應(yīng)力充分釋放，防止產(chǎn)生延遲裂紋。

⑶適當(dāng)提高淬火介質(zhì)濃度并定期檢測(cè)介質(zhì)的有效性，或選用更優(yōu)質(zhì)的淬火介質(zhì)，減緩Ms點(diǎn)以下的冷卻速度，防止開(kāi)裂。