摘 要:在對某經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的40MnBH 鋼軸頭進行機械加工時,發(fā)現(xiàn)該軸頭內(nèi)孔表面存在軸 向和環(huán)向裂紋,采用宏觀觀察、磁粉檢驗、金相檢驗、掃描電鏡分析等方法研究了裂紋產(chǎn)生的原因。 結(jié)果表明:該裂紋為淬火裂紋,裂紋的產(chǎn)生原因是沖孔異常使內(nèi)孔表面形成環(huán)向折疊,并產(chǎn)生了局 部應(yīng)力集中。對沖孔模具及鍛造工藝進行改進,可以避免該類問題再次發(fā)生。
關(guān)鍵詞:40MnBH 鋼;軸頭;折疊;淬火裂紋
中圖分類號:TG156.34;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0007-03
40MnBH 鋼是一種高淬透性的低合金結(jié)構(gòu)鋼, 將微量硼元素加入鋼中可以顯著提高鋼的淬透性, 該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合力學(xué)性能[1-3],被 廣泛應(yīng)用于對強度、韌性要求較高的軸類零件中。
某廠生產(chǎn)的軸頭加工流程為:下料→感應(yīng)加熱→ 模鍛→沖孔→調(diào)質(zhì)處理→機械加工,對該鋼進行加工 過程中,發(fā)現(xiàn)某批次軸頭內(nèi)孔存在批量開裂現(xiàn)象。
筆者采用一系列理化檢驗方法分析了軸頭開裂 的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
軸頭宏觀形貌如圖1所示,為了便于觀察,將軸 頭鋸為上半段大頭端和下半段小頭端,下半段小頭端內(nèi)孔表面存在明顯的環(huán)向折疊缺陷(圖1中箭頭 所指)。
軸頭結(jié)構(gòu)如圖2所示,由圖2可知:軸頭內(nèi)孔表 面自上而下共存在4處應(yīng)力集中區(qū),分別編號為 1# ~4# ,其中1# ~3# 區(qū)域位于上半段,且均為大圓 弧過渡區(qū),應(yīng)力集中程度較弱;4# 區(qū)域則位于下半 段,即圖1中環(huán)向折疊缺陷處,該處應(yīng)力集中程度較 明顯。
將軸頭下半段裂紋部分切開,宏觀形貌如圖3 所示,軸向裂紋和環(huán)向裂紋整體呈 T形分布(見圖 4),且兩處裂紋均呈應(yīng)力開裂特征。環(huán)向裂紋處為 首先開裂部位,軸向裂紋為次生裂紋。
1.2 磁粉檢測
圖5為軸頭內(nèi)孔磁粉檢測結(jié)果,上半段裂紋軸向 長度約為30mm,下半段則一直延伸至環(huán)向折疊處。
由圖5可知:除軸向裂紋外,約1/3圈折疊根部 存在環(huán)向磁痕。
1.3 金相檢驗
沿圖3中虛線切割取樣,將試樣置于光學(xué)顯微 鏡下觀察,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:環(huán)向裂紋 由兩部分組成,其中折疊部分(4# 位置)腔內(nèi)填充有 氧化物,兩側(cè)有高溫氧化特征,組織為鐵素體,為典 型的鍛造折疊,另一部分則以折疊根部為源發(fā)生徑 向擴展,兩側(cè)組織為回火索氏體,未見氧化、脫碳等 熱處理缺陷,整體表現(xiàn)為淬火開裂。
1.4 掃描電鏡(SEM)分析
將開裂處試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如 圖7所示,由圖7可知:折疊部分表面被厚厚的氧 化皮覆蓋,局部氧化皮剝落處呈圓滑形態(tài)。環(huán)向 裂紋面雖被較薄的氧化皮覆蓋,但沿晶開裂形貌 清晰可見,為典型的淬火裂紋特征,打開裂紋面, 組織呈韌窩形貌。
2 綜合分析
2.1 裂紋性質(zhì)
環(huán)向裂紋和軸向裂紋均為淬火裂紋,環(huán)向裂紋 和軸向裂紋皆沿晶界擴展,尾部尖細且兩側(cè)無高溫 氧化和脫碳現(xiàn)象,符合淬火裂紋特征[4-7];反之,折疊 處拋光態(tài)表面可見高溫氧化質(zhì)點,腐蝕后表面存在 明顯脫碳,且組織流線與變形方向一致。
2.2 折疊產(chǎn)生原因
折疊是一種表面缺陷,鋼坯上存在表面疤痕、 凹凸不平、尖銳棱角等缺陷,在軋制過程中,這些 缺陷存在于鋼材表面,或由于鍛扎操作不當,將上 一道工序生成的尖角、耳子又壓入金屬本體,與鋼 材疊合在一起,最后形成折疊[6-8]。通過對現(xiàn)場調(diào) 研,可判斷折疊形成于沖孔階段,其主要與沖孔模 具頭部邊緣磨損嚴重、表面粗糙以及終鍛溫度接 近下限有關(guān)。
由金相檢驗和硬度測試結(jié)果可知:內(nèi)表面凸起 區(qū)域不存在潛在的金屬變形流線,但在焊接高溫區(qū) 域存在過熱的魏氏體,且從正常區(qū)到高溫區(qū),硬度呈 增大趨勢。由能譜分析結(jié)果可知,缺陷管外表面凹 坑和孔洞處存在堆積的焊渣,且在高溫向正常區(qū)域 過渡的凹坑附近,有氧化物夾雜和殘留的焊劑。
3 結(jié)論及建議
缺陷管漏水的主要原因為:焊接時的高頻電流 集中在鋼管表面,輸入功率大而焊接速率小,造成表 面局部受熱嚴重,出現(xiàn)過燒缺陷。過燒缺陷導(dǎo)致鋼 管外表面產(chǎn)生大量堆積的焊渣,這些焊渣與鋼管基 體材料的熱膨脹系數(shù)相差很大,會使材料產(chǎn)生很大 的內(nèi)應(yīng)力[9],降低了外表面的塑性和韌性,進而促使 表面凹坑和孔洞的形成[10]。
建議焊接時選用合適的焊接工藝參數(shù),減小輸 入功率,提高焊接速率,避免產(chǎn)生過燒現(xiàn)象;同時也 可采用焊前預(yù)熱及焊后保溫的方式,使表面溫度緩 慢降低。
參考文獻:
[1] 胡文進,李良雄,劉斌,等.SA-213Super304H 材質(zhì) 螺旋翅片管高頻焊工藝研究[J].焊接技術(shù),2020,49 (9):84-87.
[2] 劉開緒.提高高頻螺旋翅片管焊接合格率的途徑及節(jié) 能措施[J].焊管,2006,29(3):72-75,80.
[3] 張鴻武,馮楠楠,陳陽.鍋爐高溫過熱器管失效分析 [J].中國鑄造裝備與技術(shù),2021,56(3):69-72.
[4] 劉寶林,鄭準備,郭松濤,等.300MW 機組回轉(zhuǎn)式空 氣預(yù)熱器倉格板開裂原因分析[J].理化檢驗(物理分 冊),2016,52(2):128-132.
[5] 石仁強,王舒濤,楊超,等.電廠鍋爐過熱器失效統(tǒng)計 與分析[J].焊接技術(shù),2019,48(9):136-139.
[6] 馬小明,廖清常,王業(yè)斌,等.甲酸鈉尾氣吸收塔失效 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2009,45(6):379- 382.
[7] 郭丹,彭章華,張維科,等.某自備電廠鍋爐水冷壁管 穿孔原因[J].理化檢驗(物理分冊),2021,57(3):73- 77.
[8] 龔桂仙.鋼鐵產(chǎn)品缺陷與失效實例分析圖譜[M].北 京:冶金工業(yè)出版社,2012.
[9] 趙志農(nóng).腐蝕失效分析案例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版 社,2009.
[10] 肖超情.鍋爐水冷壁管焊接缺陷的成因及解決辦法 [J].石油化工建設(shè),2012,34(6):79-81.