40CrNiMoA曲轴毛坯断裂原因分析
40crnimoa曲轴毛坯断裂原因分析
40crnimoa曲轴毛坯断裂原因分析
眭志松 余超 陈远清 黄鑫
(江苏永钢集团有限公司 江苏 张家港 215628)
摘要：某厂生产的40crnimoa曲轴毛坯，在转运过程中被摔断，通过了解该厂模锻工艺，对断口进行金相及扫描电镜分析，发现断裂的原因是由于火焰切割毛边时形成了淬火裂纹，成为断裂源，在冲击力作用下裂纹在上贝氏体基体中迅速扩展，导致毛坯终脆性断裂。
关键词：40crnimoa 曲轴毛坯 模锻 解理断裂 贝氏体
0 引言
柴油机曲轴毛坯是生产曲轴的前道产品，毛坯经过后续多道精密机加工成为曲轴，因此，其制造质量直接影响曲轴成品终的机加工和热处理。40crnimoa锻钢由于具有很高的强度、韧性及淬透性，主要用于制作高负荷的轴类零件[1]。某厂生产的一批40crnimoa柴油机曲轴毛坯半成品，一支毛坯在用叉车转运的过程中掉在地上断成两截，为找出曲轴毛坯断裂的原因并提出整改措施，现对断裂产品及整个生产过程展开分析。
1 生产情况概述
该厂使用的原料是由40crnimoa钢锭锻造而成，锻造圆棒经超声波探伤合格后，再经去黑皮车削成φ230mm的圆棒，之后经模锻一次成型(如图1)。曲轴毛坯生产工艺为：φ230圆棒→加热(1150℃)→模锻→空冷→气割毛边(毛边≤5mm)→正火(850℃)→校正→去除毛边→抛丸→清理检验。
12月份，该厂生产的一批产品，经气割切除毛边后，一支曲轴毛坯在用叉车转运过程中摔断，曲轴长度为2.5m左右，断轴形貌如图2所示。
图1 模锻成型件 图2 断轴宏观形貌
2 理化检验
2.1 取样部位
取该断轴的母材低倍样品，记为1#样品。在断轴的一侧用锯床取两块样品，断口样品记为2#样品，紧接断口后取一块圆饼低倍样记为3#样品，如图3、4。对母材样品、3#样品进行低倍、成分、氧氮、金相分析，对2# 断口样品进行扫描电镜、金相分析。
图3 断轴的一侧 图4 取样部位
2.2 化学成分
经直读光谱分析，母材及断轴样品化学成分满足jb/t6396-2006标准的要求。
c/%
si/%
mn/%
p/%
s/%
cr/%
ni/%
mo/%
cu/%
o/ppm
n/ppm
jb/t
6396-2006
0.37-
0.44
0.17-
0.37
0.50-
0.80
≤0.035
≤0.035
0.60-
0.90
1.25-
1.65
0.15-
0.25
—
—
—
母材
0.41
0.26
0.61
0.007
0.002
0.78
1.48
0.20
0.09
6
50
3#样品
0.40
0.31
0.66
0.015
0.002
0.76
1.46
0.18
0.09
15
57
2.3 高低倍组织
1#及3#样品低倍组织均满足协议要求，但断轴样品的中心疏松较母材样品严重，但均小于2级。母材金相组织为铁素体+珠光体，其硬度为231hv5。另外，母材样品夹杂物为a1，b0.5，c1.5，d0.5，满足协议要求。圆棒母材边部不存在脱碳现象。
图5 断轴母材-1# 图6 3#样品 图7母材显微组织
2.4 断口样品分析
2.4.1断口形貌及取样
2#断口样品整个断面有放射状花样，放射线的收敛方向指向裂纹源，即曲轴毛边部位。在如图8位置取裂纹源样品（记为4#样）进行扫描电镜分析，在3#样品上取高倍组织样品，记为4#、5#样品，如图9。
图8 断口宏观形貌 图9 高倍组织取样
2.4.2扫描电镜分析
用zeisssupra55扫描电镜观察4#样品断面，其微观形貌可见明显的扇形特征和解理台阶，整个断面呈解理断裂特征，靠近裂纹源的位置，即火焰切割的部位呈现“冰糖状”，是典型的沿晶断裂，晶界上未发现脆性相和杂质元素，如图10-13。
2.4.3金相分析
对5#、6#样品进行金相分析，基体组织为上贝氏体，其硬度为306hv5，如图14、15。6#样品边缘的组织为针状马氏体和残余奥氏体，其硬度为640hv0.5，主要分布在火焰切割的热影响区，深度一般为0.5mm左右（大深度为2.6mm），如图16、17。
3 分析与讨论
（1）、通过检测母材及断轴的低倍、夹杂物、化学成分，其结果均满足技术协议要求，母材组织为铁素体+珠光体，没有脱碳现象，因此曲轴毛坯断裂不是由母材的冶金缺陷导致的。
（2）、断裂曲轴的整个断面呈解理断裂特征，其裂纹源在边部气割毛边部位，靠近裂纹源部位呈现沿晶断裂特征，说明曲轴毛坯是脆性断裂，材料本身塑性差，靠近裂纹源的部位塑性更差。产生沿晶断裂的原因，大致可分为四类：一是晶界上存在脆性沉淀相；二是杂质和合金元素的晶界偏析；三是热应力作用；四是环境引起的沿晶侵蚀作用［2］。检测过程中未发现脆性相及合金元素的偏聚，加工过程中也不存在环境致脆的问题，因此可以确定沿晶断裂主要是由热应力导致的。
（3）、现场观察到，该厂去除模锻形成的毛边时采用火焰切割，切割时工件的温度为室温，而时值12月份，环境温度达到0℃以下，厚度为1cm左右的毛边在局部受热以后再急冷至室温，达到了马氏体的临界冷速，因此在毛边边缘形成了深度为0.5mm左右的针状马氏体组织。马氏体形成过程中产生极大的热应力和组织应力，导致边缘出现沿晶裂纹，成为曲轴毛坯开裂的裂纹源。
（4）、由40crnimo的cct曲线［3］可知，其珠光体转变被推迟而贝氏体提前，因此在相同冷速下极易形成贝氏体组织。曲轴毛坯在模锻后采取空冷，在冬天环境温度极低的情况下，形成了上贝氏体组织。上贝氏体含有铁素体板条和处于板条之间的较粗的渗碳体颗粒。由于板条间大碳化物的开裂，使上贝氏体容易发生解理开裂，且低角度贝氏体型铁素体板条晶界没有能力阻止解理裂纹的扩展［4］。因此，在毛边边缘形成淬火裂纹以后，转运过程中摔在地上受到冲击力的作用，裂纹迅速扩展，导致曲轴毛坯终脆断。
4 结论与建议
（1）、此次40crnimoa曲轴毛坯断裂是由于边部气割后局部冷速过快，形成了淬火马氏体，由于过大的热应力和组织应力而形成了淬火裂纹，成为断裂的裂纹源。又因为基体是塑性较差的上贝氏体，裂纹由毛边边缘裂纹源急速扩展导致整根曲轴毛坯发生了脆断。
（2）、由于40crnimoa易形成贝氏体组织，建议曲轴毛坯在锻造后应该采取缓冷措施，坑冷或砂冷，以防止上贝氏体组织的出现。
（3）、曲轴毛坯在火焰切割毛边时，局部受热后急冷易产生淬火马氏体，因此，工件需进行预热或冷却到一定温度时再切割，或者采取机械去除毛边的方法，以防止火焰局部加热急冷而产生马氏体组织。
参考文献：
［1］中华人民共和国机械行业标准.jb/t6396-2006大型结构钢锻件技术条件.北京:机械工业出版社，2007.
［2］崔约贤，王长利.金属断口分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998:202.
［3］林慧国，傅代直.钢的奥氏体转变曲线-原理、测试与应用.北京:机械工业出版社，1988:578.
［4］［英］f.布赖恩，皮克林主编，刘嘉禾等译.钢的组织与性能.北京:科学出版社，1999:24-61.
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关键词：40crnimoa 曲轴毛坯 模锻 解理断裂 贝氏体
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12月份，该厂生产的一批产品，经气割切除毛边后，一支曲轴毛坯在用叉车转运过程中摔断，曲轴长度为2.5m左右，断轴形貌如图2所示。
图1 模锻成型件 图2 断轴宏观形貌
2 理化检验
2.1 取样部位
取该断轴的母材低倍样品，记为1#样品。在断轴的一侧用锯床取两块样品，断口样品记为2#样品，紧接断口后取一块圆饼低倍样记为3#样品，如图3、4。对母材样品、3#样品进行低倍、成分、氧氮、金相分析，对2# 断口样品进行扫描电镜、金相分析。
图3 断轴的一侧 图4 取样部位
2.2 化学成分
经直读光谱分析，母材及断轴样品化学成分满足jb/t6396-2006标准的要求。
c/%
si/%
mn/%
p/%
s/%
cr/%
ni/%
mo/%
cu/%
o/ppm
n/ppm
jb/t
6396-2006
0.37-
0.44
0.17-
0.37
0.50-
0.80
≤0.035
≤0.035
0.60-
0.90
1.25-
1.65
0.15-
0.25
—
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母材
0.41
0.26
0.61
0.007
0.002
0.78
1.48
0.20
0.09
6
50
3#样品
0.40
0.31
0.66
0.015
0.002
0.76
1.46
0.18
0.09
15
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图5 断轴母材-1# 图6 3#样品 图7母材显微组织
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2.4.1断口形貌及取样
2#断口样品整个断面有放射状花样，放射线的收敛方向指向裂纹源，即曲轴毛边部位。在如图8位置取裂纹源样品（记为4#样）进行扫描电镜分析，在3#样品上取高倍组织样品，记为4#、5#样品，如图9。
图8 断口宏观形貌 图9 高倍组织取样
2.4.2扫描电镜分析
用zeisssupra55扫描电镜观察4#样品断面，其微观形貌可见明显的扇形特征和解理台阶，整个断面呈解理断裂特征，靠近裂纹源的位置，即火焰切割的部位呈现“冰糖状”，是典型的沿晶断裂，晶界上未发现脆性相和杂质元素，如图10-13。
2.4.3金相分析
对5#、6#样品进行金相分析，基体组织为上贝氏体，其硬度为306hv5，如图14、15。6#样品边缘的组织为针状马氏体和残余奥氏体，其硬度为640hv0.5，主要分布在火焰切割的热影响区，深度一般为0.5mm左右（大深度为2.6mm），如图16、17。
3 分析与讨论
（1）、通过检测母材及断轴的低倍、夹杂物、化学成分，其结果均满足技术协议要求，母材组织为铁素体+珠光体，没有脱碳现象，因此曲轴毛坯断裂不是由母材的冶金缺陷导致的。
（2）、断裂曲轴的整个断面呈解理断裂特征，其裂纹源在边部气割毛边部位，靠近裂纹源部位呈现沿晶断裂特征，说明曲轴毛坯是脆性断裂，材料本身塑性差，靠近裂纹源的部位塑性更差。产生沿晶断裂的原因，大致可分为四类：一是晶界上存在脆性沉淀相；二是杂质和合金元素的晶界偏析；三是热应力作用；四是环境引起的沿晶侵蚀作用［2］。检测过程中未发现脆性相及合金元素的偏聚，加工过程中也不存在环境致脆的问题，因此可以确定沿晶断裂主要是由热应力导致的。
（3）、现场观察到，该厂去除模锻形成的毛边时采用火焰切割，切割时工件的温度为室温，而时值12月份，环境温度达到0℃以下，厚度为1cm左右的毛边在局部受热以后再急冷至室温，达到了马氏体的临界冷速，因此在毛边边缘形成了深度为0.5mm左右的针状马氏体组织。马氏体形成过程中产生极大的热应力和组织应力，导致边缘出现沿晶裂纹，成为曲轴毛坯开裂的裂纹源。
（4）、由40crnimo的cct曲线［3］可知，其珠光体转变被推迟而贝氏体提前，因此在相同冷速下极易形成贝氏体组织。曲轴毛坯在模锻后采取空冷，在冬天环境温度极低的情况下，形成了上贝氏体组织。上贝氏体含有铁素体板条和处于板条之间的较粗的渗碳体颗粒。由于板条间大碳化物的开裂，使上贝氏体容易发生解理开裂，且低角度贝氏体型铁素体板条晶界没有能力阻止解理裂纹的扩展［4］。因此，在毛边边缘形成淬火裂纹以后，转运过程中摔在地上受到冲击力的作用，裂纹迅速扩展，导致曲轴毛坯终脆断。
4 结论与建议
（1）、此次40crnimoa曲轴毛坯断裂是由于边部气割后局部冷速过快，形成了淬火马氏体，由于过大的热应力和组织应力而形成了淬火裂纹，成为断裂的裂纹源。又因为基体是塑性较差的上贝氏体，裂纹由毛边边缘裂纹源急速扩展导致整根曲轴毛坯发生了脆断。
（2）、由于40crnimoa易形成贝氏体组织，建议曲轴毛坯在锻造后应该采取缓冷措施，坑冷或砂冷，以防止上贝氏体组织的出现。
（3）、曲轴毛坯在火焰切割毛边时，局部受热后急冷易产生淬火马氏体，因此，工件需进行预热或冷却到一定温度时再切割，或者采取机械去除毛边的方法，以防止火焰局部加热急冷而产生马氏体组织。
参考文献：
［1］中华人民共和国机械行业标准.jb/t6396-2006大型结构钢锻件技术条件.北京:机械工业出版社，2007.
［2］崔约贤，王长利.金属断口分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998:202.
［3］林慧国，傅代直.钢的奥氏体转变曲线-原理、测试与应用.北京:机械工业出版社，1988:578.
［4］［英］f.布赖恩，皮克林主编，刘嘉禾等译.钢的组织与性能.北京:科学出版社，1999:24-61.
智能一体阀门电动装置的选型要求有哪些
德国FEBROTEC弹簧主要产品和型号详询介绍
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