分享：40MnBH 钢轴头开裂原因

摘 要:在对某经过调质处理的40MnBH 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:该裂纹为淬火裂纹,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:40MnBH 钢;轴头;折叠;淬火裂纹

中图分类号:TG156.34;TG115.2                 文献标志码:A                 文章编号:1001-4012(2023)06-0007-03

40MnBH 钢是一种高淬透性的低合金结构钢, 将微量硼元素加入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 端内孔表面存在明显的环向折叠缺陷(图1中箭头 所指)。

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。 

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30mm,下半段则一直延伸至环向折叠处。

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,为典型的淬火裂纹特征,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,钢坯上存在表面疤痕、 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、耳子又压入金属本体,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。

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,输入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[10]。

建议焊接时选用合适的焊接工艺参数,减小输 入功率,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 螺旋翅片管高频焊工艺研究[J].焊接技术,2020,49 (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,2006,29(3):72-75,80. 

[3] 张鸿武,冯楠楠,陈阳.锅炉高温过热器管失效分析 [J].中国铸造装备与技术,2021,56(3):69-72. 

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[5] 石仁强,王舒涛,杨超,等.电厂锅炉过热器失效统计 与分析[J].焊接技术,2019,48(9):136-139. 

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[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,2012. 

[9] 赵志农.腐蚀失效分析案例[M].北京:化学工业出版 社,2009. 

[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,2012,34(6):79-81.

<文章来源  > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 6期 (pp:7-9)>