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五個案例,45鋼軸類零件熱處理斷裂分析及預防 日期:2019.07.22

45鋼由於價格便宜、來源方便、加工性能好,淬火後具有較高的硬度,調質處理後具有良好的強韌性、高的強度和一定的耐磨性,被廣泛地應用於中低檔的軸類零件。但是45鋼軸在熱處理過程中,由於材料本身的原因,熱加工不當和熱處理工藝安排不合理,往往容易產生熱處理斷裂或在工作中發生早期失效,造成產品報廢,嚴重影響生產的正常進行。

  1.柴油曲軸熱處理產生的裂紋及預防
  某柴油機廠生產一批柴油機曲軸,該工廠采用圓鋼鍛造,為了趕工期,該廠采取的加工工序是:下料→鍛造→粗加工→調質→精加工→檢驗入庫。該批曲軸在淬火後,一部分曲軸的曲拐處產生裂紋,造成了產品報廢。

  分析工序安排和以往的經驗,這是因為鍛後沒有進行退火或正火,鋼材在鍛造時產生的鍛造應力沒有很好地消除,因此在熱處理淬火時,淬火產生的應力和原來軸中存在的應力疊加,當疊加應力超過材料的強度極限時,曲45鋼曲軸表麵應力集中處即產生裂紋。

  針對45鋼鍛造曲軸產生裂紋原因的分析,對45鋼鍛造後的曲軸進行正火熱處理,不僅消除了鍛造產生的應力,還為曲軸的調質熱處理做好了組織準備,正火後的45鋼曲軸鍛件在淬火後不再產生裂紋。

  2.45鋼軸類的熱處理工藝改進
  某機械廠生產一批軸套,外徑φ140mm,內徑φ100mm,長320mm。如果采用圓鋼製造,僅內孔切掉就浪費材料50%以上,而且浪費大量加工工時。後來該廠采用外徑略大內徑略小的鋼管製造,這樣就節約了大量鋼材料並節省了大量加工工時。為了提高軸套的強度,我們采用了調質熱處理,其熱處理工藝是:淬火加熱溫度840℃,水冷;550℃回火,保溫2h後空冷,回火後軸套硬度25~30HRC,符合技術要求。

  但是第一批熱處理的12個軸套中有2個出現裂紋。分析其產生的原因:①由於中空套在淬火冷卻時,內外壁冷卻不均勻,外部冷卻快,內壁冷卻慢,造成內外應力不均勻,使軸套產生裂紋。②鋼套在軋製過程中產生的內應力未能很好地進行消除,因此在熱處理時軋製後的殘留應力和熱處理淬火應力疊加,當疊加應力超過鋼材的強度極限時,45鋼鋼套就會斷裂。

  針對以上原因,我們采取兩項工藝改進:①淬火前,首先對軸套進行消除應力退火,加熱溫度700℃保溫1h,出爐後空冷。②軸套在淬火冷卻時,應垂直入水,並上下不停運動,這就加快了軸套內壁的冷卻速度,減少鋼套內外壁冷卻溫度的不一致性,從而減少內外壁冷卻應力。

  采取以上兩項工藝措施,軸套在熱處理後不再出現裂紋,提高了產品質量,從而保證了軸套生產的正常進行。

  3.大型45鋼鍛軸的熱處理工藝改進
  在某一熱處理廠,我們對一根φ320mm×1600mm大型鍛軸進行調質熱處理,雖然我們淬火冷卻過程采取多項工藝措施:即從電阻爐取出大型鍛軸時放在空氣中預冷卻,適當降低淬火溫度,在冷卻階斷采取水冷→空冷→水冷→空冷→水冷,並提高出水溫度,但鍛軸仍舊出現裂紋。這是因為大型軸淬火時內外溫度相差較大,冷卻溫度不均勻導致內外應力過大引起的。

  我們改進了熱處理工藝,在處理大型鍛軸采取了用正火代替調質處理。並對調擀軸和正火軸進行組織和性能的檢查,發現兩類軸組織和性能基本一致。因此,我們認為對直徑較大的軸可以采取以正火代替調質熱處理,這樣既解決了大型軸的質量問題,又可保證大型軸淬火裂紋的產生。對於要求表麵對磨性較高的大直徑軸,可采取鍛後正火處理,加工成形後,再對大直徑軸進行表麵中頻感應淬火,這樣可大大提高軸的使用壽命。

  4.細長軸的熱處理工藝改進
  某機械廠在處理一批φ20mm×300mm的45鋼細長軸,其技術要求軸表麵硬度45~50HRC。為了減少細長軸的熱處理變形,我們采取了亞溫淬火,即軸的加熱溫度800℃,水冷→油冷雙液淬火,然後200℃保溫2h後空冷,軸的變形有所減小,硬度略有降低,熱處理硬度43~48HRC。但在使用過程中,雖然硬度偏低,仍出現早期斷裂。

  原因分析:經金相組織檢查,發現在回火馬氏體組織中有塊狀鐵素體,殘餘鐵素體破壞了軸的破斷抗力,使軸在使用過程中出現了早期斷裂失效,嚴重影響了生產的正常進行。

  後來我們在處理此類軸時,適當提高了淬火加熱溫度(830℃),在水中冷卻,當軸冷卻到150~200℃時進行校直,這是因為45軸在200~150℃時,奧氏體向馬氏體轉變較激烈,相變超塑性效應明顯,校直較容易,校直後進行200℃回火,軸類變形極少,硬度45~50HRC,基本符合技術要求,而且在使用過程中不再出現細長軸早期斷裂失效現象。

  5.劣質45鋼軸的熱處理
  某機械廠在對一批45鋼軸進行淬火熱處理時,成批裂紋產生,後來雖然采取各項措施:如降低淬火溫度,提高出水溫度,及時進行回火,但仍有較多軸斷裂。後來我們對這批45鋼進行化學成分分析和金相組織檢查,發現這批軸含碳量較高,wC=0.58%,wS= 0.3%,嚴重超標;金相組織檢查發現鋼中含有較多非金屬夾雜物。硫含量過高和鋼中含有大量非金屬夾雜物是造成45鋼軸在熱處理過程中產生斷裂的主要原因。

  對於這批軸,我們隻能采取全部報廢的措施。後來我們建議該廠嚴格控製鋼材進廠門檻,對每批進廠鋼材進行化學成分檢查和組織檢查,從源頭上保證產品質量,防止廢品的產生。

  6.結語
  軸是工程機械中的重要零件,主要起著傳遞動力,並承受著不同大小和形式的載荷,如彎曲、扭轉、疲勞、衝擊等,因此,一般軸需要較高的力學性能,同時還要考慮選材的經濟性。

  45軸由於價格便宜,來源方便,加工性能好等特點是一般軸的首選鋼材。而且為了提高45軸的力學性能,還需對軸進行調質熱處理。但是由於45鋼淬透性軸差,在水中淬火時,往往容易產生裂紋,因此我們首先要控製鋼材進廠質量,在熱處理時,根據不同情況,采取合理的正確的熱處理工藝,從而減少45鋼軸在熱處理過程中及使用中出現早期斷裂,從而提高軸的使用壽命,保證生產的正常進行。

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