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五个案例,45钢轴类零件热处理断裂分析及预防

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:1448 发布时间:2018-10-15 QC检测仪器网

  45钢由于价格便宜、来源方便、加工性能好,淬火后具有较高的硬度,调质处理后具有良好的强韧性、高的强度和一定的耐磨性,被广泛地应用于中低档的轴类零件。但是45钢轴在热处理过程中,由于材料本身的原因,热加工不当和热处理工艺安排不合理,往往容易产生热处理断裂或在工作中发生早期失效,造成产品报废,严重影响生产的正常进行。

  1.柴油曲轴热处理产生的裂纹及预防
  某柴油机厂生产一批柴油机曲轴,该工厂采用圆钢锻造,为了赶工期,该厂采取的加工工序是:下料→锻造→粗加工→调质→精加工→检验入库。该批曲轴在淬火后,一部分曲轴的曲拐处产生裂纹,造成了产品报废。

  分析工序安排和以往的经验,这是因为锻后没有进行退火或正火,钢材在锻造时产生的锻造应力没有很好地消除,因此在热处理淬火时,淬火产生的应力和原来轴中存在的应力叠加,当叠加应力超过材料的强度极限时,曲45钢曲轴表面应力集中处即产生裂纹。

  针对45钢锻造曲轴产生裂纹原因的分析,对45钢锻造后的曲轴进行正火热处理,不仅消除了锻造产生的应力,还为曲轴的调质热处理做好了组织准备,正火后的45钢曲轴锻件在淬火后不再产生裂纹。

  2.45钢轴类的热处理工艺改进
  某机械厂生产一批轴套,外径φ140mm,内径φ100mm,长320mm。如果采用圆钢制造,仅内孔切掉就浪费材料50%以上,而且浪费大量加工工时。后来该厂采用外径略大内径略小的钢管制造,这样就节约了大量钢材料并节省了大量加工工时。为了提高轴套的强度,我们采用了调质热处理,其热处理工艺是:淬火加热温度840℃,水冷;550℃回火,保温2h后空冷,回火后轴套硬度25~30HRC,符合技术要求。

  但是第一批热处理的12个轴套中有2个出现裂纹。分析其产生的原因:①由于中空套在淬火冷却时,内外壁冷却不均匀,外部冷却快,内壁冷却慢,造成内外应力不均匀,使轴套产生裂纹。②钢套在轧制过程中产生的内应力未能很好地进行消除,因此在热处理时轧制后的残留应力和热处理淬火应力叠加,当叠加应力超过钢材的强度极限时,45钢钢套就会断裂。

  针对以上原因,我们采取两项工艺改进:①淬火前,首先对轴套进行消除应力退火,加热温度700℃保温1h,出炉后空冷。②轴套在淬火冷却时,应垂直入水,并上下不停运动,这就加快了轴套内壁的冷却速度,减少钢套内外壁冷却温度的不一致性,从而减少内外壁冷却应力。

  采取以上两项工艺措施,轴套在热处理后不再出现裂纹,提高了产品质量,从而保证了轴套生产的正常进行。

  3.大型45钢锻轴的热处理工艺改进
  在某一热处理厂,我们对一根φ320mm×1600mm大型锻轴进行调质热处理,虽然我们淬火冷却过程采取多项工艺措施:即从电阻炉取出大型锻轴时放在空气中预冷却,适当降低淬火温度,在冷却阶断采取水冷→空冷→水冷→空冷→水冷,并提高出水温度,但锻轴仍旧出现裂纹。这是因为大型轴淬火时内外温度相差较大,冷却温度不均匀导致内外应力过大引起的。

  我们改进了热处理工艺,在处理大型锻轴采取了用正火代替调质处理。并对调擀轴和正火轴进行组织和性能的检查,发现两类轴组织和性能基本一致。因此,我们认为对直径较大的轴可以采取以正火代替调质热处理,这样既解决了大型轴的质量问题,又可保证大型轴淬火裂纹的产生。对于要求表面对磨性较高的大直径轴,可采取锻后正火处理,加工成形后,再对大直径轴进行表面中频感应淬火,这样可大大提高轴的使用寿命。

  4.细长轴的热处理工艺改进
  某机械厂在处理一批φ20mm×300mm的45钢细长轴,其技术要求轴表面硬度45~50HRC。为了减少细长轴的热处理变形,我们采取了亚温淬火,即轴的加热温度800℃,水冷→油冷双液淬火,然后200℃保温2h后空冷,轴的变形有所减小,硬度略有降低,热处理硬度43~48HRC。但在使用过程中,虽然硬度偏低,仍出现早期断裂。

  原因分析:经金相组织检查,发现在回火马氏体组织中有块状铁素体,残余铁素体破坏了轴的破断抗力,使轴在使用过程中出现了早期断裂失效,严重影响了生产的正常进行。

  后来我们在处理此类轴时,适当提高了淬火加热温度(830℃),在水中冷却,当轴冷却到150~200℃时进行校直,这是因为45轴在200~150℃时,奥氏体向马氏体转变较激烈,相变超塑性效应明显,校直较容易,校直后进行200℃回火,轴类变形极少,硬度45~50HRC,基本符合技术要求,而且在使用过程中不再出现细长轴早期断裂失效现象。

  5.劣质45钢轴的热处理
  某机械厂在对一批45钢轴进行淬火热处理时,成批裂纹产生,后来虽然采取各项措施:如降低淬火温度,提高出水温度,及时进行回火,但仍有较多轴断裂。后来我们对这批45钢进行化学成分分析和金相组织检查,发现这批轴含碳量较高,wC=0.58%,wS= 0.3%,严重超标;金相组织检查发现钢中含有较多非金属夹杂物。硫含量过高和钢中含有大量非金属夹杂物是造成45钢轴在热处理过程中产生断裂的主要原因。

  对于这批轴,我们只能采取全部报废的措施。后来我们建议该厂严格控制钢材进厂门槛,对每批进厂钢材进行化学成分检查和组织检查,从源头上保证产品质量,防止废品的产生。

  6.结语
  轴是工程机械中的重要零件,主要起着传递动力,并承受着不同大小和形式的载荷,如弯曲、扭转、疲劳、冲击等,因此,一般轴需要较高的力学性能,同时还要考虑选材的经济性。

  45轴由于价格便宜,来源方便,加工性能好等特点是一般轴的首选钢材。而且为了提高45轴的力学性能,还需对轴进行调质热处理。但是由于45钢淬透性轴差,在水中淬火时,往往容易产生裂纹,因此我们首先要控制钢材进厂质量,在热处理时,根据不同情况,采取合理的正确的热处理工艺,从而减少45钢轴在热处理过程中及使用中出现早期断裂,从而提高轴的使用寿命,保证生产的正常进行。

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