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给水泵轴横向裂纹分析

2011-12-25 16:27| 发布者: editorche| 查看: 5474| 评论: 0|原作者: 王家敏,曾振鹏,何平

摘要: 某厂生产的给水泵轴在车削加工过程中发现轴中央部位有一条横向裂纹。采用化学成分分析、金相检验和断口分析等方法对裂纹产生的原因进行了分析。结果表明:该裂纹为锻造裂纹,锻造温度偏高可能引起裂纹的重要原因。

摘要:某厂生产的给水泵轴在车削加工过程中发现轴中央部位有一条横向裂纹。采用化学成分分析、金相检验和断口分析等方法对裂纹产生的原因进行了分析。结果表明:该裂纹为锻造裂纹,锻造温度偏高可能引起裂纹的重要原因。

关键词:给水泵轴;横向裂纹;氧化皮;脱碳;锻造裂纹;锻造温度

    某厂生产的一批给水泵轴,经锻造和热处理后在车削加工的过程中发现其中一根轴的中部最大直径处有一条横向裂纹。开裂给水泵轴的长度为1971mm,为变直径轴,最大直径为φ164mm,裂纹位于轴的中央,其宏观形貌如图1所示。可见裂纹为横向裂纹,周长130mm,沿轴的径向发展,深度约25mm

 

    该给水泵轴所用材料位2Cr13钢,采用电渣重熔方法净化。锭重1170Kg,尺寸为500mm×810mm,锻造成一根4520mm×205mm的轴,然后切割成两根。锻造后进行调质处理,热处理工艺为:1020℃×4h油冷+700℃×8h油冷。

为查找裂纹形成的原因,笔者对该开裂泵轴进行了理化检验和分析。

1理化检验

1.1化学成分分析

   

 

    在开裂泵轴上取样进行化学成分分析,结果见表1,可见泵轴的化学成分与GB 1220-1992规定的2Cr13钢的成分要求符合。

1.2断口分析

    仔细打开裂纹,发现裂纹表面呈黑色,已完全氧化。表面未见油渍玷污,但有一层厚厚的黑色氧化膜牢固地附着在裂纹表面上。经清洗后的裂纹表面形貌如图2a)所示;在扫描电镜下观察到的形貌如图2b)所示,可见具有晶间断裂特征。

 

    用EDX对裂纹表面进行了表面成分分析,结果(质量分数)为21.58%O,0.30%Si,0.48%S,3.34%Cr,74.29%Fe,EDX谱线如图3所示。分析结果表明裂纹表面的硫元素含量较高,表面附着层为氧化铁。  

1.3金相检验

    从同批锻造的未经热处理的给水泵轴毛坯上横向截取试样,经磨床磨光后用酸蚀法显示其低倍组织形貌,并按GB/T 1979-2001中的第三评级图进行评定。评定结果为:该低倍组织为一般疏松0.5级,中心疏松0.5级,未见其他低倍组织缺陷,满足技术要求。

    进一步观察该试样的显微组织,发现该给水泵轴材料内部存在变形夹杂,如MnS,其形貌和分布如图4所示。同时还发现有多边形的不变形夹杂。根据GB/T 10561-2002,MnS夹杂物的级别为12级,符合技术要求。

 

    该给水泵轴基体材料的显微组织如图5所示,可见为回火索氏体。分析可知,虽然组织正常,但较粗大。另外发现有裂纹存在,如图6所示,可见裂纹扩展途径较曲折,以沿晶扩展为主。在高倍下可清晰观察到裂纹表面覆盖有两层氧化皮,如图7所示,同时裂纹内侧基体上有明显的脱碳现象,这是锻造裂纹的重要特征。

 

2分析与讨论

    裂纹断口分析和金相检验结果表明,裂纹表面呈黑色,并覆盖有较厚的含较高硫含量的氧化皮,且氧化皮有两层;裂纹两侧金属基体均有脱碳现象,这些现象均为锻造裂纹的特有特征。文献认为,具有裂纹的锻件经加热后,裂纹附近有严重的氧化脱碳现象,而冷却裂纹(如淬火裂纹)则无此现象。文献认为,裂纹两侧存在脱碳层,这是判断淬火前便已存在裂纹的有效判据.

    综上所述,该开裂的给水泵轴上的裂纹为热处理前就已存在的锻造裂纹。

    众所周知,锻造裂纹是锻件(特别是大型锻件)的常用缺陷。锻件产生锻造裂纹的原因是多方面的、有材料方面的原因,如钢钉内部的宏观缺陷、钢中的微量元素以及钢中的第二相等;也有锻造工艺方面的原因,如加热温度、变形过程、变形速度、冷却速度以及应力状态等。例如钢钉中的硫元素在1000℃时在钢中的溶解度仅为0.013%,而F eS沿晶界析出,其溶点仅为920℃。因此钢在1200℃下锻造时,晶界上的FeS将发生溶化并以液态薄膜的形式包围晶粒,破坏晶粒间的结合而产生热脆。钢出现热脆后,轻微的锻造应力即会引起锻件开裂。

锻造温度过高会造成锻件过热,甚至出现δ-铁素体相,使锻件塑性降低。保温时间过长、表面氧化以及脱碳严重会促使高温δ-铁素体相过早地在表面形成。因而使锻件表面塑性大幅降低,造成锻件开裂。

    在相同的加热或冷却条件下,内外温度差随锻件截面尺寸的增大而增加。由于比容随温度变化而造成内外膨胀量(或收缩量)存在差别,可引起很大的热应力。奥氏体冷却时,相变的同时伴随着比容的变化,而内外冷却速度的差异使相变不同时进行,从而引起转变产物不同,内外膨胀量不同,因此会引起很大的组织应力。大锻件材料的内部总是难以避免存在缺陷,因此,如果材料抵抗裂纹扩展能力较小,加热速度稍快,产生的热应力就足以导致锻件开裂。对于合金钢,过高的装炉温度和过快的升温速度都会引起过大的热应力,而使锻件产生横裂。但只要严格按工艺进行操作,锻造裂纹是可以避免的。该例中的给水泵轴的锻造工艺已无法查证,因此难以确定引起裂纹的根本原因,但根据金相检验结果分析,锻造温度偏高可能是引起该给水轴泵产生裂纹的重要原因。

3结论与建议

    (1)该给水泵轴上的裂纹为锻造裂纹,锻造温度偏高可能是引起裂纹的重要原因。

    (2)建议加强锻造工序管理,严格按工艺操作,避免产生锻造裂纹。


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