感应淬火连杆轴颈裂纹分析

感应淬火连杆轴颈裂纹分析

1模面出现的裂纹在测量和研磨后，公司生产的越野车通过车间的旋转轴颈表面发生了裂缝。据该厂反映,该类裂纹主要集中在第2连杆轴颈的分模面处,出现裂纹的曲轴比例为20%�30%。曲轴材料牌号为45钢,具体制造工序为下料→锻造→调质处理→机械加工→轴颈感应淬火→精加工→磁粉探伤。为确定曲轴裂纹的性质,对曲轴进行了宏观、微观分析,发现裂纹周围存在异常淬硬层,分析认为这种异常淬硬层与感应淬火前就有裂纹存在有关。为此,对未感应淬火的曲轴及曲轴裂纹处的断口进行了细致深入的分析。2裂纹分析曲轴2根,编号为1号、2号。2.1裂纹的部位和分布特点经磁化后的曲轴,在荧光灯下观察,1号曲轴在第2、3、4连杆轴颈分模面上有裂纹存在,其中第2曲拐、第4曲拐有一条明显的较长裂纹,第3曲拐裂纹条数较多,且有1条裂纹贯穿至曲柄臂上,见图1a。2号曲轴存在裂纹的部位有:第1连杆轴颈与第2主轴轴颈连接的曲柄面上有2条裂纹;第2、3连杆轴颈分模面上有裂纹,裂纹分布特征见图1b。根据探伤结果,裂纹主要分布在连杆轴颈分模面上,这一特点与生产厂反映一致。但此次分析的两根曲轴,裂纹不仅仅分布在第2连杆轴颈分模面上,在第3、第4连杆轴颈的分模面上也有裂纹存在。为了解低倍组织情况,在1号曲轴的第1主轴轴颈、第3连杆轴颈(切取成2片)上取样进行分析。2.2组织形貌及缺陷由于无法得到原材料(完整曲轴切片)样品,取1号曲轴第1主轴轴颈及有裂纹的连杆轴颈做低倍组织分析,观察其裂纹与低倍组织的关系。将第1主轴轴颈和第3连杆轴颈用1∶1盐酸热蚀,低倍组织形貌见图2。由图2可见,曲轴主轴轴颈存在白亮带和心部疏松(1级)。白亮带呈椭圆形,长轴与短轴尺寸分别为43.9mm和31mm,白亮带厚度为2.70mm,白亮带上的铁素体组织含量高于正常部位;同时,主轴轴颈中心存在4.3mm×3mm区域的碳偏析缺陷,组织为回火索氏体+珠光体+少量铁素体(图3a),且在主轴轴颈心部还可见分散分布的孔洞类缺陷(图3b)。第3连杆轴颈的低倍缺陷组织因锻造被挤压到轴颈表面,且低倍组织缺陷恰好在探伤的裂纹缺陷处,在第3连杆轴颈轴向面的表层还存在肉眼可见的2条裂纹,纵向面存在数条裂纹。2.3裂纹分析(1)裂纹深度及表面粗糙度垂直连杆轴颈裂纹取样,1号曲轴取其第3连杆轴颈(编号为1号-3),2号曲轴取其第2、第3连杆轴颈(编号分别为2号-2、2号-3)。在体式显微镜下测试,1号-3裂纹深度约9.8mm,2号-2、2号-3裂纹深度分别为7.2、9.2mm。3件样品的裂纹均由表层向心部延伸且裂纹均贯穿淬硬层,裂纹开口较宽。3件样品经硝酸酒精侵蚀后,在其裂纹周围淬硬层的过渡区均存在异常现象(图4),即正常部位的过渡区为等厚度的白色层,而在有裂纹存在的部位,过渡区的白色层厚度明显变薄。根据裂纹处过渡区的异常现象及淬硬层的开口宽度,认为导致这种异常现象的原因是:在感应淬火前裂纹就已经存在,即由于裂纹的存在,在感应淬火时,电流沿开口较宽的裂纹分布,在裂纹根部电流密度高,导致温度高,从而使淬硬层内的裂纹根部发生马氏体转变,而未有裂纹存在的正常部位(热影响区)组织是铁素体+马氏体。(2)应力退火前心部裂纹形貌分析在光学显微镜下观察,1号-3样品表层存在数条裂纹,裂纹长度深浅不一,呈断续分布,裂纹周围分布着数量较多的孔洞类缺陷,两侧未见氧化脱碳现象,见图5a、图5b;在样品心部裂纹处也分布着孔洞类缺陷,裂纹呈穿晶分布,见图5c。2号-2、2号-3样品裂纹两侧未见氧化脱碳现象,在裂纹周围伴随有孔洞类缺陷,见图6。裂纹末端均呈穿晶特征。3件样品的表层组织均为细致马氏体、心部组织均为珠光体+网状铁素体。综合上述分析,3件样品裂纹处的淬硬层过渡区均存在白色层明显薄于正常部位的过渡区这一异常现象,因此认为感应淬火前就有裂纹存在是造成该种异常现象的直接原因。3件样品的裂纹无论是在表层还是在心部,其形貌特征较为相同,故认为3件样品的裂纹为同一性质的裂纹。为进一步确定裂纹性质,从以下两方面着手分析。a.了解在感应淬火前曲轴情况。b.对现有样品取其断口进行电镜分析。生产厂提供了一块较小的感应淬火前曲轴连杆轴颈(第2连杆轴颈)样品。样品表面用肉眼观察不可见裂纹,但在体式显微镜下,可明显观察到1条与加工刀痕方向平行的裂纹,见图7。其轴颈表面存在2条裂纹,裂纹深度分别为9.10、5.60mm。2条裂纹两侧未见氧化脱碳现象,周围均有孔洞类缺陷存在。其中1条裂纹形貌见图8a,心部裂纹呈穿晶分布,见图8b。由上述分析可见,感应淬火前的曲轴连杆轴颈裂纹两侧未见氧化脱碳现象,其周围也存在孔洞类缺陷,心部裂纹呈穿晶分布等特征。结合裂纹形貌分析,认为该件裂纹与上述分析的感应淬火后曲轴裂纹是同一性质的裂纹。通过对感应淬火前曲轴进行分析,进一步验证了在感应淬火前就有裂纹存在的事实。2.5敲开断口观察基于上述分析结果,对1号-3、2号-2断口取样品进行扫描电镜分析。1号-3连杆轴颈表面光亮无锈蚀,观察裂纹在其表面的分布形式,见图9。由图9可见,裂纹扩展局部形成多条外露裂纹。将2号-2样品沿裂纹打开,断口大部分被锈迹所覆盖,无法观察到断口特征。但在裂纹尾部与正常敲开断口的过渡处,可以看到断口呈熔融状特征,见图10a。敲开断口正常区域形貌特征为解理+准解理+韧窝,见图10b。将1号-3连杆轴颈裂纹敲开,由于裂纹并未按照预想的从最大裂纹处裂开,而是在一些不完全连续的小裂纹处断裂,恰好提供了观察保留相对较好的微裂纹的机会。敲开断口正常区域形貌特征为准解理+韧窝,与2号-2正常断口形貌一致。敲开断口表面存在孔洞型缺陷,将孔洞型缺陷放大,可见孔洞内壁光滑,未有氧化迹象,见图11a。在断口另一区域观察发现,断口最表层为沿晶形貌(图11b),1区晶粒粗大,2区部分断口有熔融状特征,3区为正常的沿晶断口特征。值得注意的是,1区和3区都处于淬硬层内,但1区的晶粒尺寸约几百微米,且晶界有烧熔特征(图11c),而正常的3区沿晶晶粒尺寸约几微米,晶粒尺寸相差极大。通过分析认为造成该种现象的原因是:晶界烧熔的晶粒显示的是原始奥氏体晶粒,而淬硬层断口显示的是实际晶粒。对熔融状断口4区(图11b)进行X-射线能谱成分分析,结果见图12,该区域有明显的O、Na、Al、Si、S等杂质元素存在。对正常沿晶断裂的3区进行X-射线能谱成分分析,未见明显的杂质元素,见图13。因此,以上分析结果说明该区域存在晶界烧熔现象。同样,在另一个具有粗大沿晶断口区域做X-射线能谱成分分析,也发现存在类似的杂质元素存在。在敲开断口的多处区域,观察到石状断口特征(图14),这是晶界过烧后的典型断口特征。3值得关注的问题综合上述分析,根据裂纹处淬硬层过渡区的异常现象,认为曲轴连杆轴颈处的裂纹产生在感应淬火前,该结论通过感应淬火前曲轴分析进一步得到证明。值得关注的问题如下。a.低倍缺陷组织因锻造被挤压到轴颈表面,且低倍组织缺陷恰好在探伤的裂纹处。b.裂纹周围都伴随有孔洞类缺陷,且心部(非淬硬区)也有孔洞类缺陷存在。c.裂纹断口上存在晶粒粗大、晶界烧融的现象,同时晶界烧融的部位其能谱分析表明有杂质存在。通过分析认为,在锻造过程中原材料的低倍缺陷组织如疏松、杂质被挤压到表面,由于锻造温度高,造成杂质熔