45鋼桿件服役過程缺陷分析

楊寶林，劉曉軍，王鑫

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

45鋼為中碳鋼里的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，自身硬度不高，塑性和韌性尚好，切削加工性能較好，經(jīng)常用來制作模具中的模板、導(dǎo)柱等。45鋼作為使用最頻繁、應(yīng)用最廣泛的鋼材，熱處理可以提高其性能，同時(shí)也可以使其在不同環(huán)境和設(shè)計(jì)要求下使用[1]。45鋼因淬透性差，一般以正火狀態(tài)使用，力學(xué)性能要求較高時(shí)，采用調(diào)質(zhì)處理。軸類零件也常選用45鋼，但是要進(jìn)行表面淬火，如高頻感應(yīng)淬火或是直接淬火（淬火后表面硬度可達(dá)45~52HRC），以獲得需要的表面硬度、強(qiáng)度和韌性等綜合力學(xué)性能[2]。

碳素鋼在冶煉和軋制（鍛造）加工過程中，由于設(shè)備、工藝和操作等原因造成鋼的欠缺，主要包括結(jié)疤、裂紋、縮孔殘余、分層、白點(diǎn)、偏析、非金屬夾雜、疏松和帶狀組織等。在碳素鋼熱處理過程中，容易造成過熱、過燒、氧化脫碳和氫脆等缺陷[3]。蔡云[4]研究了熱處理工藝對45鋼組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)如果在熱處理過程中，加熱的溫度或冷卻速度不同，都會導(dǎo)致45鋼硬度與顯微組織發(fā)生變化。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，45鋼制成的工件經(jīng)常存在缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。對存在裂紋缺陷的45鋼軋制圓鋼做熱頂鍛試驗(yàn)，主要鑄坯缺陷是表面或近表面缺陷即皮下氣泡、內(nèi)部裂紋、夾雜物[6]。在熱處理過程中發(fā)現(xiàn)部分45鋼電機(jī)部件發(fā)生開裂，采用金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析等手段進(jìn)行了觀察和分析，結(jié)果表明，由于試樣中硫化物夾雜及磷元素的偏析造成力學(xué)性能下降，從而導(dǎo)致工件開裂[7]。郭毅等借助金相顯微鏡、掃描電鏡等方法對有裂紋的45鋼活塞鍛件進(jìn)行了研究。研究表明，存在裂紋的工件有脫碳層和氧化顆粒，裂紋是由鍛造折疊所引起的[8]。在45鋼圓環(huán)套筒類支座零件發(fā)現(xiàn)圓環(huán)內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋。采用ICP光譜儀、顯微鏡及宏觀特征等手段對裂紋特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：零件因淬火前鍛造工藝控制不當(dāng)，鍛造溫度高，達(dá)到材料的過熱溫度，因此造成顯微組織中非金屬夾雜物沿晶界分布及晶粒粗大等缺陷，弱化了晶界，降低了材料的強(qiáng)度和韌性。

本文用45鋼原材料制成的杠桿在服役檢修時(shí)，無損檢測發(fā)現(xiàn)在杠桿的表面存在25~30mm的線狀缺陷。為了確定缺陷的性質(zhì)，進(jìn)一步改善鍛件的質(zhì)量，避免此缺陷的再次發(fā)生，本文對該存在缺陷的杠桿進(jìn)行了理化檢驗(yàn)分析。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀分析

（1）缺陷宏觀分析 缺陷位置在杠桿的桿身靠近兩端處，如圖1所示。經(jīng)觀察分析，杠桿外表面存在斑疤凹凸不平及尖端棱角，呈現(xiàn)直線狀近似裂紋的缺陷，外表面不存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象，故排除腐蝕造成的缺陷。為了進(jìn)一步確認(rèn)缺陷產(chǎn)生的原因，進(jìn)行了磁粉檢測、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)等試驗(yàn)。

圖1 杠桿宏觀缺陷位置

（2）磁粉檢測 對杠桿桿身進(jìn)行磁粉檢測，試樣表面存在兩條線性缺陷磁痕，缺陷1、2均為縱向并呈曲線狀，周圍沒有分支磁痕，長度分別為30mm和25mm，如圖2所示。

圖2 磁粉檢測缺陷1、2形貌

2.2 微觀金相檢驗(yàn)

（1）缺陷1金相分析 該杠桿零件材質(zhì)均為45鋼，在缺陷處附近進(jìn)行取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可以看出，該材料符合G B/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中45鋼技術(shù)要求。

表1 45鋼杠桿化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

對杠桿桿身的線性缺陷1、2位置分別橫向切割取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，取樣部位如圖3所示。缺陷1微觀形貌如圖4所示，缺陷以裂紋形式呈15°夾角向內(nèi)部延伸，并在延伸一段距離后轉(zhuǎn)彎與表面平行方向擴(kuò)展。觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋前半部分周圍組織珠光體稀少，鐵素體相對較多，裂紋周圍有氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋內(nèi)充斥非金屬夾雜物，如圖5所示。經(jīng)測量，裂紋深度在0.1~0.7m m，脫碳層深度在0.11~0.18mm。裂紋根部以斷續(xù)非金屬夾雜物線狀擴(kuò)展，脫碳層較少。

圖3 缺陷1、2取樣部位

圖4 缺陷1微觀形貌

圖5 缺陷1裂紋前半部分微觀形貌

（2）缺陷2金相分析 缺陷2微觀形貌如圖6所示，與缺陷1金相組織特征基本一致，缺陷以裂紋形式呈45°夾角向內(nèi)部延伸，并在延伸一段后轉(zhuǎn)彎向表面擴(kuò)展。裂紋起始端裂紋開口較大，兩側(cè)有大塊鐵素體，裂紋周圍有嚴(yán)重的氧化脫碳現(xiàn)象且尾端圓禿，與金屬流線方向一致，如圖7所示。經(jīng)測量，裂紋深度在0.1~1.8mm，脫碳層深度在0.15~0.28mm。裂紋中部以縱向線性向內(nèi)部延展，兩側(cè)較平滑，裂紋周圍有脫碳現(xiàn)象，裂紋內(nèi)有非金屬夾雜物灰色物質(zhì)。裂紋根部以斷續(xù)非金屬夾雜物線狀擴(kuò)展，脫碳層不明顯，沒有裂紋分叉等現(xiàn)象。

圖7 缺陷2裂紋起始端微觀形貌

經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，缺陷附近基體的多數(shù)區(qū)域組織依據(jù)GB/T 13320—2007《鋼制模鍛件金相組織》規(guī)定評定為珠光體+鐵素體的正火組織，晶粒度8級，如圖8所示。

圖8 缺陷處附近基體金相組織

3 分析與討論

杠桿的化學(xué)成分符合45鋼技術(shù)條件中的規(guī)定，磁粉檢測也未發(fā)現(xiàn)鍛件內(nèi)部的疏松、氣孔等缺陷，可以排除杠桿的缺陷與基體材質(zhì)有關(guān)的可能性。缺陷附近基體的多數(shù)區(qū)域組織依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評定為珠光體+鐵素體的正火組織，晶粒度8級，說明杠桿后期熱處理工藝正常。

從宏觀檢測來看，杠桿外表面存在斑疤凹凸不平及尖端的棱角，呈現(xiàn)直線狀近似裂紋的折疊缺陷[9-11]，有明顯的折疊紋。從微觀金相檢驗(yàn)來看，在杠桿桿身兩處缺陷處，裂紋開口較大，裂紋兩側(cè)為較大的鐵素體區(qū)，均存在嚴(yán)重的氧化脫碳現(xiàn)象，折疊尾端圓禿，且與金屬流線方向一致，裂紋內(nèi)充斥非金屬夾雜物，具有典型的鍛造折疊缺陷特征，如圖9、圖10所示。上述事實(shí)均表明，該45鋼杠桿磁粉檢測缺陷性質(zhì)為鍛造折疊。

圖9 缺陷1后半部分微觀形貌

圖10 缺陷2裂紋中部微觀形貌

鍛造折疊裂紋缺陷是指在鍛造過程中金屬流動不合理導(dǎo)致鍛件表面形成重疊層，是鍛造加工過程中最常見的缺陷。杠桿鍛造折疊的形成可能是由于表面氧化皮或非金屬夾雜物在鍛打時(shí)被壓入鋼體內(nèi)，或是鍛造拔長時(shí)速度過快造成的。若折疊很淺且在加工面，則可通過切削加工加以消除；若折疊很深且在非加工面上，那么它對零件性能的影響是嚴(yán)重的，是一種不允許的鍛造缺陷。建議改進(jìn)桿件的模鍛工藝，定期清理鍛造設(shè)備表面毛刺和氧化皮，加強(qiáng)對杠桿表面夾雜物的檢測，以及鍛造時(shí)合理控制拔長速度，均為預(yù)防折疊缺陷的有效手段。

4 結(jié)論與建議

針對服役過程中磁粉檢測出缺陷的鍛造桿件，展開了宏觀檢測、成分分析、金相分析等方面的試驗(yàn)研究，通過討論與分析得出如下結(jié)論。

1）由于裂紋附近存在嚴(yán)重的脫碳層，折疊尾端圓禿，且與金屬流線方向一致，裂紋內(nèi)充斥非金屬夾雜物，具有典型的鍛造折疊缺陷特征，因此杠桿桿身的磁粉檢測缺陷性質(zhì)為鍛造折疊。

2）杠桿鍛造折疊的形成可能是由于原材料表面氧化皮或非金屬夾雜物在鍛打時(shí)被壓入鋼體內(nèi)，導(dǎo)致氧化脫碳并誘發(fā)鍛造折疊裂紋。

3）定期清理鍛造設(shè)備表面毛刺和氧化皮，加強(qiáng)對杠桿表面夾雜物的檢測，以及鍛造時(shí)合理控制拔長速度，均為預(yù)防折疊缺陷的有效手段。