感應(yīng)淬火連桿軸頸裂紋分析

感應(yīng)淬火連桿軸頸裂紋分析

1模面出現(xiàn)的裂紋在測量和研磨后，公司生產(chǎn)的越野車通過車間的旋轉(zhuǎn)軸頸表面發(fā)生了裂縫。據(jù)該廠反映,該類裂紋主要集中在第2連桿軸頸的分模面處,出現(xiàn)裂紋的曲軸比例為20%?30%。曲軸材料牌號為45鋼,具體制造工序?yàn)橄铝稀懺臁{(diào)質(zhì)處理→機(jī)械加工→軸頸感應(yīng)淬火→精加工→磁粉探傷。為確定曲軸裂紋的性質(zhì),對曲軸進(jìn)行了宏觀、微觀分析,發(fā)現(xiàn)裂紋周圍存在異常淬硬層,分析認(rèn)為這種異常淬硬層與感應(yīng)淬火前就有裂紋存在有關(guān)。為此,對未感應(yīng)淬火的曲軸及曲軸裂紋處的斷口進(jìn)行了細(xì)致深入的分析。2裂紋分析曲軸2根,編號為1號、2號。2.1裂紋的部位和分布特點(diǎn)經(jīng)磁化后的曲軸,在熒光燈下觀察,1號曲軸在第2、3、4連桿軸頸分模面上有裂紋存在,其中第2曲拐、第4曲拐有一條明顯的較長裂紋,第3曲拐裂紋條數(shù)較多,且有1條裂紋貫穿至曲柄臂上,見圖1a。2號曲軸存在裂紋的部位有:第1連桿軸頸與第2主軸軸頸連接的曲柄面上有2條裂紋;第2、3連桿軸頸分模面上有裂紋,裂紋分布特征見圖1b。根據(jù)探傷結(jié)果,裂紋主要分布在連桿軸頸分模面上,這一特點(diǎn)與生產(chǎn)廠反映一致。但此次分析的兩根曲軸,裂紋不僅僅分布在第2連桿軸頸分模面上,在第3、第4連桿軸頸的分模面上也有裂紋存在。為了解低倍組織情況,在1號曲軸的第1主軸軸頸、第3連桿軸頸(切取成2片)上取樣進(jìn)行分析。2.2組織形貌及缺陷由于無法得到原材料(完整曲軸切片)樣品,取1號曲軸第1主軸軸頸及有裂紋的連桿軸頸做低倍組織分析,觀察其裂紋與低倍組織的關(guān)系。將第1主軸軸頸和第3連桿軸頸用1∶1鹽酸熱蝕,低倍組織形貌見圖2。由圖2可見,曲軸主軸軸頸存在白亮帶和心部疏松(1級)。白亮帶呈橢圓形,長軸與短軸尺寸分別為43.9mm和31mm,白亮帶厚度為2.70mm,白亮帶上的鐵素體組織含量高于正常部位;同時(shí),主軸軸頸中心存在4.3mm×3mm區(qū)域的碳偏析缺陷,組織為回火索氏體+珠光體+少量鐵素體(圖3a),且在主軸軸頸心部還可見分散分布的孔洞類缺陷(圖3b)。第3連桿軸頸的低倍缺陷組織因鍛造被擠壓到軸頸表面,且低倍組織缺陷恰好在探傷的裂紋缺陷處,在第3連桿軸頸軸向面的表層還存在肉眼可見的2條裂紋,縱向面存在數(shù)條裂紋。2.3裂紋分析(1)裂紋深度及表面粗糙度垂直連桿軸頸裂紋取樣,1號曲軸取其第3連桿軸頸(編號為1號-3),2號曲軸取其第2、第3連桿軸頸(編號分別為2號-2、2號-3)。在體式顯微鏡下測試,1號-3裂紋深度約9.8mm,2號-2、2號-3裂紋深度分別為7.2、9.2mm。3件樣品的裂紋均由表層向心部延伸且裂紋均貫穿淬硬層,裂紋開口較寬。3件樣品經(jīng)硝酸酒精侵蝕后,在其裂紋周圍淬硬層的過渡區(qū)均存在異常現(xiàn)象(圖4),即正常部位的過渡區(qū)為等厚度的白色層,而在有裂紋存在的部位,過渡區(qū)的白色層厚度明顯變薄。根據(jù)裂紋處過渡區(qū)的異?，F(xiàn)象及淬硬層的開口寬度,認(rèn)為導(dǎo)致這種異常現(xiàn)象的原因是:在感應(yīng)淬火前裂紋就已經(jīng)存在,即由于裂紋的存在,在感應(yīng)淬火時(shí),電流沿開口較寬的裂紋分布,在裂紋根部電流密度高,導(dǎo)致溫度高,從而使淬硬層內(nèi)的裂紋根部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,而未有裂紋存在的正常部位(熱影響區(qū))組織是鐵素體+馬氏體。(2)應(yīng)力退火前心部裂紋形貌分析在光學(xué)顯微鏡下觀察,1號-3樣品表層存在數(shù)條裂紋,裂紋長度深淺不一,呈斷續(xù)分布,裂紋周圍分布著數(shù)量較多的孔洞類缺陷,兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象,見圖5a、圖5b;在樣品心部裂紋處也分布著孔洞類缺陷,裂紋呈穿晶分布,見圖5c。2號-2、2號-3樣品裂紋兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象,在裂紋周圍伴隨有孔洞類缺陷,見圖6。裂紋末端均呈穿晶特征。3件樣品的表層組織均為細(xì)致馬氏體、心部組織均為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體。綜合上述分析,3件樣品裂紋處的淬硬層過渡區(qū)均存在白色層明顯薄于正常部位的過渡區(qū)這一異?，F(xiàn)象,因此認(rèn)為感應(yīng)淬火前就有裂紋存在是造成該種異常現(xiàn)象的直接原因。3件樣品的裂紋無論是在表層還是在心部,其形貌特征較為相同,故認(rèn)為3件樣品的裂紋為同一性質(zhì)的裂紋。為進(jìn)一步確定裂紋性質(zhì),從以下兩方面著手分析。a.了解在感應(yīng)淬火前曲軸情況。b.對現(xiàn)有樣品取其斷口進(jìn)行電鏡分析。生產(chǎn)廠提供了一塊較小的感應(yīng)淬火前曲軸連桿軸頸(第2連桿軸頸)樣品。樣品表面用肉眼觀察不可見裂紋,但在體式顯微鏡下,可明顯觀察到1條與加工刀痕方向平行的裂紋,見圖7。其軸頸表面存在2條裂紋,裂紋深度分別為9.10、5.60mm。2條裂紋兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象,周圍均有孔洞類缺陷存在。其中1條裂紋形貌見圖8a,心部裂紋呈穿晶分布,見圖8b。由上述分析可見,感應(yīng)淬火前的曲軸連桿軸頸裂紋兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象,其周圍也存在孔洞類缺陷,心部裂紋呈穿晶分布等特征。結(jié)合裂紋形貌分析,認(rèn)為該件裂紋與上述分析的感應(yīng)淬火后曲軸裂紋是同一性質(zhì)的裂紋。通過對感應(yīng)淬火前曲軸進(jìn)行分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了在感應(yīng)淬火前就有裂紋存在的事實(shí)。2.5敲開斷口觀察基于上述分析結(jié)果,對1號-3、2號-2斷口取樣品進(jìn)行掃描電鏡分析。1號-3連桿軸頸表面光亮無銹蝕,觀察裂紋在其表面的分布形式,見圖9。由圖9可見,裂紋擴(kuò)展局部形成多條外露裂紋。將2號-2樣品沿裂紋打開,斷口大部分被銹跡所覆蓋,無法觀察到斷口特征。但在裂紋尾部與正常敲開斷口的過渡處,可以看到斷口呈熔融狀特征,見圖10a。敲開斷口正常區(qū)域形貌特征為解理+準(zhǔn)解理+韌窩,見圖10b。將1號-3連桿軸頸裂紋敲開,由于裂紋并未按照預(yù)想的從最大裂紋處裂開,而是在一些不完全連續(xù)的小裂紋處斷裂,恰好提供了觀察保留相對較好的微裂紋的機(jī)會(huì)。敲開斷口正常區(qū)域形貌特征為準(zhǔn)解理+韌窩,與2號-2正常斷口形貌一致。敲開斷口表面存在孔洞型缺陷,將孔洞型缺陷放大,可見孔洞內(nèi)壁光滑,未有氧化跡象,見圖11a。在斷口另一區(qū)域觀察發(fā)現(xiàn),斷口最表層為沿晶形貌(圖11b),1區(qū)晶粒粗大,2區(qū)部分?jǐn)嗫谟腥廴跔钐卣?3區(qū)為正常的沿晶斷口特征。值得注意的是,1區(qū)和3區(qū)都處于淬硬層內(nèi),但1區(qū)的晶粒尺寸約幾百微米,且晶界有燒熔特征(圖11c),而正常的3區(qū)沿晶晶粒尺寸約幾微米,晶粒尺寸相差極大。通過分析認(rèn)為造成該種現(xiàn)象的原因是:晶界燒熔的晶粒顯示的是原始奧氏體晶粒,而淬硬層斷口顯示的是實(shí)際晶粒。對熔融狀斷口4區(qū)(圖11b)進(jìn)行X-射線能譜成分分析,結(jié)果見圖12,該區(qū)域有明顯的O、Na、Al、Si、S等雜質(zhì)元素存在。對正常沿晶斷裂的3區(qū)進(jìn)行X-射線能譜成分分析,未見明顯的雜質(zhì)元素,見圖13。因此,以上分析結(jié)果說明該區(qū)域存在晶界燒熔現(xiàn)象。同樣,在另一個(gè)具有粗大沿晶斷口區(qū)域做X-射線能譜成分分析,也發(fā)現(xiàn)存在類似的雜質(zhì)元素存在。在敲開斷口的多處區(qū)域,觀察到石狀斷口特征(圖14),這是晶界過燒后的典型斷口特征。3值得關(guān)注的問題綜合上述分析,根據(jù)裂紋處淬硬層過渡區(qū)的異常現(xiàn)象,認(rèn)為曲軸連桿軸頸處的裂紋產(chǎn)生在感應(yīng)淬火前,該結(jié)論通過感應(yīng)淬火前曲軸分析進(jìn)一步得到證明。值得關(guān)注的問題如下。a.低倍缺陷組織因鍛造被擠壓到軸頸表面,且低倍組織缺陷恰好在探傷的裂紋處。b.裂紋周圍都伴隨有孔洞類缺陷,且心部(非淬硬區(qū))也有孔洞類缺陷存在。c.裂紋斷口上存在晶粒粗大、晶界燒融的現(xiàn)象,同時(shí)晶界燒融的部位其能譜分析表明有雜質(zhì)存在。通過分析認(rèn)為,在鍛造過程中原材料的低倍缺陷組織如疏松、雜質(zhì)被擠壓到表面,由于鍛造溫度高,造成雜質(zhì)熔