感應淬火連桿軸頸裂紋分析

1模面出現的裂紋在測量和研磨后，公司生產的越野車通過車間的旋轉軸頸表面發生了裂縫。據該廠反映,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,具體制造工序為下料→鍛造→調質處理→機械加工→軸頸感應淬火→精加工→磁粉探傷。為確定曲軸裂紋的性質,對曲軸進行了宏觀、微觀分析,發現裂紋周圍存在異常淬硬層,分析認為這種異常淬硬層與感應淬火前就有裂紋存在有關。為此,對未感應淬火的曲軸及曲軸裂紋處的斷口進行了細致深入的分析。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經磁化后的曲軸,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。根據探傷結果,裂紋主要分布在連桿軸頸分模面上,這一特點與生產廠反映一致。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,主軸軸頸中心存在4.3mm×3mm區域的碳偏析缺陷,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件樣品經硝酸酒精侵蝕后,在其裂紋周圍淬硬層的過渡區均存在異常現象(圖4),即正常部位的過渡區為等厚度的白色層,而在有裂紋存在的部位,過渡區的白色層厚度明顯變薄。根據裂紋處過渡區的異常現象及淬硬層的開口寬度,認為導致這種異常現象的原因是:在感應淬火前裂紋就已經存在,即由于裂紋的存在,在感應淬火時,電流沿開口較寬的裂紋分布,在裂紋根部電流密度高,導致溫度高,從而使淬硬層內的裂紋根部發生馬氏體轉變,而未有裂紋存在的正常部位(熱影響區)組織是鐵素體+馬氏體。(2)應力退火前心部裂紋形貌分析在光學顯微鏡下觀察,1號-3樣品表層存在數條裂紋,裂紋長度深淺不一,呈斷續分布,裂紋周圍分布著數量較多的孔洞類缺陷,兩側未見氧化脫碳現象,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樣品裂紋兩側未見氧化脫碳現象,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致馬氏體、心部組織均為珠光體+網狀鐵素體。綜合上述分析,3件樣品裂紋處的淬硬層過渡區均存在白色層明顯薄于正常部位的過渡區這一異常現象,因此認為感應淬火前就有裂紋存在是造成該種異常現象的直接原因。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,故認為3件樣品的裂紋為同一性質的裂紋。為進一步確定裂紋性質,從以下兩方面著手分析。a.了解在感應淬火前曲軸情況。b.對現有樣品取其斷口進行電鏡分析。生產廠提供了一塊較小的感應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條裂紋兩側未見氧化脫碳現象,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,感應淬火前的曲軸連桿軸頸裂紋兩側未見氧化脫碳現象,其周圍也存在孔洞類缺陷,心部裂紋呈穿晶分布等特征。結合裂紋形貌分析,認為該件裂紋與上述分析的感應淬火后曲軸裂紋是同一性質的裂紋。通過對感應淬火前曲軸進行分析,進一步驗證了在感應淬火前就有裂紋存在的事實。2.5敲開斷口觀察基于上述分析結果,對1號-3、2號-2斷口取樣品進行掃描電鏡分析。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。敲開斷口正常區域形貌特征為解理+準解理+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想的從最大裂紋處裂開,而是在一些不完全連續的小裂紋處斷裂,恰好提供了觀察保留相對較好的微裂紋的機會。敲開斷口正常區域形貌特征為準解理+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,可見孔洞內壁光滑,未有氧化跡象,見圖11a。在斷口另一區域觀察發現,斷口最表層為沿晶形貌(圖11b),1區晶粒粗大,2區部分斷口有熔融狀特征,3區為正常的沿晶斷口特征。值得注意的是,1區和3區都處于淬硬層內,但1區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區沿晶晶粒尺寸約幾微米,晶粒尺寸相差極大。通過分析認為造成該種現象的原因是: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際晶粒。對熔融狀斷口4區(圖11b)進行X-射線能譜成分分析,結果見圖12,該區域有明顯的O、Na、Al、Si、S等雜質元素存在。對正常沿晶斷裂的3區進行X-射線能譜成分分析,未見明顯的雜質元素,見圖13。因此,以上分析結果說明該區域存在晶界燒熔現象。同樣,在另一個具有粗大沿晶斷口區域做X-射線能譜成分分析,也發現存在類似的雜質元素存在。在敲開斷口的多處區域,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值得關注的問題綜合上述分析,根據裂紋處淬硬層過渡區的異常現象,認為曲軸連桿軸頸處的裂紋產生在感應淬火前,該結論通過感應淬火前曲軸分析進一步得到證明。值得關注的問題如下。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)也有孔洞類缺陷存在。c.裂紋斷口上存在晶粒粗大、晶界燒融的現象,同時晶界燒融的部位其能譜分析表明有雜質存在。通過分析認為,在鍛造過程中原材料的低倍缺陷組織如疏松、雜質被擠壓到表面,由于鍛造溫度高,造成雜質熔