摘 要:在對某經過調質處理的40MnBH 鋼軸頭進行機械加工時,發現該軸頭內孔表面存在軸 向和環向裂紋,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生的原因。 結果表明:該裂紋為淬火裂紋,裂紋的產生原因是沖孔異常使內孔表面形成環向折疊,并產生了局 部應力集中。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生。

關鍵詞: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構鋼, 將微量硼元素加入鋼中可以顯著提高鋼的淬透性, 該鋼經調質處理后具有良好的綜合力學性能[1-3],被 廣泛應用于對強度、韌性要求較高的軸類零件中。 

某廠生產的軸頭加工流程為:下料→感應加熱→ 模鍛→沖孔→調質處理→機械加工,對該鋼進行加工 過程中,發現某批次軸頭內孔存在批量開裂現象。 

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 端內孔表面存在明顯的環向折疊缺陷(圖1中箭頭 所指)。

軸頭結構如圖2所示,由圖2可知:軸頭內孔表 面自上而下共存在4處應力集中區,分別編號為 1# ~4# ,其中1# ~3# 區域位于上半段,且均為大圓 弧過渡區,應力集中程度較弱;4# 區域則位于下半 段,即圖1中環向折疊缺陷處,該處應力集中程度較 明顯。 

將軸頭下半段裂紋部分切開,宏觀形貌如圖3 所示,軸向裂紋和環向裂紋整體呈 T形分布(見圖 4),且兩處裂紋均呈應力開裂特征。環向裂紋處為 首先開裂部位,軸向裂紋為次生裂紋。 

1.2 磁粉檢測 

圖5為軸頭內孔磁粉檢測結果,上半段裂紋軸向 長度約為30mm,下半段則一直延伸至環向折疊處。

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,將試樣置于光學顯微 鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知:環向裂紋 由兩部分組成,其中折疊部分(4# 位置)腔內填充有 氧化物,兩側有高溫氧化特征,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生徑 向擴展,兩側組織為回火索氏體,未見氧化、脫碳等 熱處理缺陷,整體表現為淬火開裂。

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。環向 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

環向裂紋和軸向裂紋均為淬火裂紋,環向裂紋 和軸向裂紋皆沿晶界擴展,尾部尖細且兩側無高溫 氧化和脫碳現象,符合淬火裂紋特征[4-7];反之,折疊 處拋光態表面可見高溫氧化質點,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]。通過對現場調 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。

由金相檢驗和硬度測試結果可知:內表面凸起 區域不存在潛在的金屬變形流線,但在焊接高溫區 域存在過熱的魏氏體,且從正常區到高溫區,硬度呈 增大趨勢。由能譜分析結果可知,缺陷管外表面凹 坑和孔洞處存在堆積的焊渣,且在高溫向正常區域 過渡的凹坑附近,有氧化物夾雜和殘留的焊劑。

3 結論及建議 

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,出現過燒缺陷。過燒缺陷導致鋼 管外表面產生大量堆積的焊渣,這些焊渣與鋼管基 體材料的熱膨脹系數相差很大,會使材料產生很大 的內應力[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,減小輸 入功率,提高焊接速率,避免產生過燒現象;同時也 可采用焊前預熱及焊后保溫的方式,使表面溫度緩 慢降低。

參考文獻: 

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<文章來源  > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 6期 (pp:7-9)>