40MnBH钢轴头开裂原因.pdf

专题报道2023年第59 卷卷6 1PTCA(PARTA:PHYS.TEST.)理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-wl20230600240MnBH钢轴头开裂原因高彬科，张弛，吴飞虎，梁会雷，李平平（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，常州2 1 3 0 1 1)摘要：在对某经过调质处理的40 MnBH钢轴头进行机械加工时，发现该轴头内孔表面存在轴向和环向裂纹，采用宏观观察、磁粉检验、金相检验、扫描电镜分析等方法研究了裂纹产生的原因。结果表明：该裂纹为火裂纹，裂纹的产生原因是冲孔异常使内孔表面形成环向折叠，并产生了局部应力集中。对冲孔模具及锻造工艺进行改进，可以避免该类问题再次发生。关键词：40 MnBH钢；轴头；折叠；淬火裂纹中图分类号：TG156.34；T G 1 1 5.2文献标志码：A文章编号：1 0 0 1-40 1 2（2 0 2 3)0 6-0 0 0 7-0 3Cracking reason of 40MnBH steel shaft headGAO Binke,ZHANG Chi,WU Feihu,LIANG Huilei,LI Pingping(CRRC Qishuyan Institute Co.,Ltd.,Changzhou 213011,China)Abstract:Axial and circumferential cracks were found on the surface of the inner hole of a quenched andtempered 4OMnBH steel shaft head during machining.The cause of the crack was analyzed by macroscopicobservation,magnetic particle inspection,metallographic examination and scanning electron microscope analysis.The results show that the crack was a quenching crack,and the cause of the crack was the local stress concentrationcaused by the annular folding of the inner hole surface caused by the abnormal punching.The improvement ofpunching die and forging process could avoid the recurrence of such problems.Keywords:40MnBH steel;shaft head;folding;quenching crack40MnBH钢是一种高淬透性的低合金结构钢，将微量硼元素加人钢中可以显著提高钢的淬透性，该钢经调质处理后具有良好的综合力学性能 1-3 ，被广泛应用于对强度、韧性要求较高的轴类零件中。某厂生产的轴头加工流程为：下料感应加热模锻冲孔调质处理机械加工，对该钢进行加工过程中，发现某批次轴头内孔存在批量开裂现象，笔者采用一系列理化检验方法分析了轴头开裂的原因，以避免该类问题再次发生。1理化检验1.1宏观观察轴头宏观形貌如图1 所示，为了便于观察，将轴头锯为上半段大头端和下半段小头端，下半段小头收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2作者简介：高彬科（1 9 8 4一），男，学士，高级工程师，主要从事供应链管理工作，gaobinke.qscrrcgc.cc端内孔表面存在明显的环向折叠缺陷（图1 中箭头所指）。a)外表面b）内孔图1轴头宏观形貌轴头结构如图2 所示，由图2 可知：轴头内孔表面自上而下共存在4处应力集中区，分别编号为1#4#，其中1#3#区域位于上半段，且均为大圆弧过渡区，应力集中程度较弱；4#区域则位于下半段，即图1 中环向折叠缺陷处，该处应力集中程度较明显。8高彬科：OMnBH钢轴头开裂原因理化检验-物理分册#2#图2轴头结构示意将轴头下半段裂纹部分切开，宏观形貌如图3所示，轴向裂纹和环向裂纹整体呈T形分布（见图4)，且两处裂纹均呈应力开裂特征。环向裂纹处为首先开裂部位，轴向裂纹为次生裂纹。1.2磁粉检测图5为轴头内孔磁粉检测结果，上半段裂纹轴向长度约为3 0 mm，下半段则一直延伸至环向折叠处。轴向环向图3开裂处宏观形貌裂纹源位置后形成的裂纹先形成的裂纹图4T形裂纹示意轴向环向a)上半段b)下半段c)孔表面图5轴头内孔磁粉检测结果由图5可知：除轴向裂纹外，约1/3 圈折叠根部存在环向磁痕。1.3金相检验沿图3 中虚线切割取样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图6 所示。由图6 可知：环向裂纹由两部分组成，其中折叠部分（4#位置）腔内填充有氧化物，两侧有高温氧化特征，组织为铁素体，为典型的锻造折叠，另一部分则以折叠根部为源发生径向扩展，两侧组织为回火索氏体，未见氧化、脱碳等热处理缺陷，整体表现为淬火开裂1.4扫描电镜(SEM)分析将开裂处试样置于扫描电镜下观察，结果如图7 所示，由图7 可知：折叠部分表面被厚厚的氧化皮覆盖，局部氧化皮剥落处呈圆滑形态。环向裂纹面虽被较薄的氧化皮覆盖，但沿晶开裂形貌清晰可见，为典型的火裂纹特征，打开裂纹面，组织呈韧窝形貌。2综合分析2.1裂纹性质环向裂纹和轴向裂纹均为淬火裂纹，环向裂纹和轴向裂纹皆沿晶界扩展，尾部尖细且两侧无高温氧化和脱碳现象，符合淬火裂纹特征 4-7 反之，折叠处抛光态表面可见高温氧化质点，腐蚀后表面存在明显脱碳，且组织流线与变形方向一致。2.2折叠产生原因折叠是一种表面缺陷，钢坏上存在表面疤痕、凹凸不平、尖锐棱角等缺陷，在轧制过程中，这些缺陷存在于钢材表面，或由于锻扎操作不当，将上一道工序生成的尖角、耳子又压人金属本体，与钢材叠合在一起，最后形成折叠6-8 。通过对现场调研，可判断折叠形成于冲孔阶段，其主要与冲孔模具头部边缘磨损严重、表面粗糙以及终锻温度接近下限有关。9高彬科，40MnBH钢轴头开裂原因理化检验-物理分册折叠部位（图2 中4位置）环向裂纹400um50um50uma）裂纹截面抛光态b）裂纹两侧高温氧化c）裂纹两侧铁素体50um50um20umd)淬火裂纹e）淬火裂纹两侧回火索氏体f)基体组织图6 车轴头开裂处微观形貌100um100ma)折叠部分b）环向裂纹(低倍）30um10umc）环向裂纹（高倍）d)裂纹打开面图7试样开裂处的SEM形貌2.3淬火裂纹产生原因在热处理钢件时，特别是淬火过程中，截面各部分加热和冷却速率不一致使钢件存在温差，加上组织转变的不同时性等原因，使得钢件截面各部分的体积胀缩不均匀，组织转变的不均匀以及弹性变形的不一致，导致热处理应力的产生。热处理应力主要分为加热或冷却不均匀造成的热应力和组织转变的不同时性造成的组织应力两种 9-1 0 1，其在钢件内存在的状态和起的作用有所不同。此外，偏析等因素造成钢件内部组织转变的不均匀引起的附加应力也属于组织应力。热处理后钢件的最终应力状态及大小取决于这两种应力之和，称为合应力或残余应力。当淬火冷却过程中产生的残余应力大于材料的强度时，就会发生开裂现象。淬火裂纹分布没有规律，一般在零件的棱角槽口、截面突变处、孔洞边缘（下转第1 4页）（上接第9 页）徐磊A管漏水原因理化检验-物理分册由金相检验和硬度测试结果可知：内表面凸起区域不存在潜在的金属变形流线，但在焊接高温区域存在过热的魏氏体，且从正常区到高温区，硬度呈增大趋势。由能谱分析结果可知，缺陷管外表面凹坑和孔洞处存在堆积的焊渣，且在高温向正常区域过渡的凹坑附近，有氧化物夹杂和残留的焊剂。3结论及建议缺陷管漏水的主要原因为：焊接时的高频电流集中在钢管表面，输人功率大而焊接速率小，造成表面局部受热严重，出现过烧缺陷。过烧缺陷导致钢管外表面产生大量堆积的焊渣，这些焊渣与钢管基体材料的热膨胀系数相差很大，会使材料产生很大的内应力 9,降低了外表面的塑性和韧性，进而促使表面凹坑和孔洞的形成1 0 建议焊接时选用合适的焊接工艺参数，减小输人功率，提高焊接速率，避免产生过烧现象；同时也可采用焊前预热及焊后保温的方式，使表面温度缓慢降低。参考文献：1胡文进，李良雄，刘斌，等.SA-213Super304H材质和机械加工的刀痕上容易形成淬火裂纹，折叠处应力集中严重，为淬火开裂提供了条件。综上，由于冲模头部边缘磨损严重、表面粗糙以及终锻温度偏低，因此在冲孔过程中，内孔表面形成环向折叠缺陷。折叠为裂纹类缺陷，头部应力集中程度严重，火过程中，折叠头部为裂纹源，引起淬火开裂，同时在组织应力的作用下产生轴向裂纹，二者交汇便形成T形开裂形貌。3结论及建议40MnBH钢轴头内孔表面折叠是导致淬火开裂的根本原因。折叠的产生主要与冲模头部边缘磨损严重及终锻温度偏低有关。建议严格控制终锻温度及冲孔时的温度，定期检查冲孔模具的磨损情况，对有内孔的轴类零件进行淬火冷却时，应控制好其冷却速率。参考文献：1张海，于辉，姚风臣，等.40 MnBH钢成分控制规范的14螺旋翅片管高频焊工艺研究 JJ.焊接技术，2 0 2 0，49(9):84-87.2刘开绪.提高高频螺旋翅片管焊接合格率的途径及节能措施 J.焊管，2 0 0 6，2 9（3）：7 2-7 5，8 0.3张鸿武，冯楠楠，陈阳.锅炉高温过热器管失效分析.中国铸造装备与技术，2 0 2 1,56（3）：6 9-7 2.4刘宝林，郑准备，郭松涛，等.3 0 0 MW机组回转式空气预热器仓格板开裂原因分析J.理化检验（物理分册),2 0 1 6,52(2)：1 2 8-1 3 2.5石仁强，王舒涛，杨超，等。电厂锅炉过热器失效统计与分析.焊接技术，2 0 1 9，48（9）：1 3 6-1 3 9.6 马小明，廖清常，王业斌，等.甲酸钠尾气吸收塔失效分析 J.理化检验（物理分册），2 0 0 9，45（6）：3 7 9-382.7郭丹，彭章华，张维科，等.某自备电厂锅炉水冷壁管穿孔原因 J.理化检验（物理分册），2 0 2 1，57（3）：7 3-77.8龚桂仙.钢铁产品缺陷与失效实例分析图谱 M.北京：冶金工业出版社，2 0 1 2.9赵志农.腐蚀失效分析案例 M.北京：化学工业出版社，2 0 0 9.10肖超情.锅炉水冷壁管焊接缺陷的成因及解决办法J.石油化工建设，2 0 1 2,3 4（6)：7 9-8 1.研究J.机械工程材料，2 0 0 1,2 5（6）：1 5-1 6 3 7.2姜德刚，冯岩，裴滨.采用钒微合金化提高40 MnBH钢的淬透性J.包钢科技，2 0 0 6，3 2（1）：2 9-3 1.3熊青.合金元素对40 MnBH钢组织性能的影响研究D.镇江：江苏大学，2 0 1 0.4刘宗昌.淬火裂纹形态及影响因素 J.包头钢铁学院学报，1 9 9 1,1 0(1)：44-49.5孙盛玉.热处理裂纹若干问题的初步探讨 J.金属热处理,2 0 0 9,3 4(1 0)：1 0 9-1 1 4.6 王荣.机械装备的失效分析（续前）第8 讲失效诊断与预防技术（3）J.理化检验（物理分册），2 0 1 8，54(4):244-255.7耿传芸，朱敏涛，杨学婧.3 5CrMo圆钢零件调质开裂原因分析J.理化检验（物理分册），2 0 1 5，51（3）：222-224.8郭建春，秦磊.锻件锻造折叠的综合预防措施J.机械工人，2 0 0 5(3)：7 7-7 8.9杨久强，涂光纯，吴国桐.模锻件锻造折叠的分析 J.航天工艺，1 9 9 6（2）：1 4-1 6.10黄进城.模锻件锻造折叠研究J.中国高新技术企业,2 0 1 4(1 8)：1 5-1 6.