高強(qiáng)度鋼制軸類零件加工制造中開(kāi)裂原因分析與工藝改進(jìn)

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高強(qiáng)度鋼制軸類零件加工制造中
開(kāi)裂原因分析與工藝改進(jìn)

龔煌輝

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001）

摘要：材料性能對(duì)高強(qiáng)度鋼制軸類零件的影響較大，而且高強(qiáng)度鋼的切削難度大，加工過(guò)程中，高強(qiáng)度鋼軸類零件會(huì)出現(xiàn)一些開(kāi)裂現(xiàn)象。在用機(jī)械進(jìn)行鍍鉻層磨削時(shí)，其表面經(jīng)常出現(xiàn)裂隙，且大體特性一致。因此，對(duì)磨削參數(shù)和鍍層厚度進(jìn)行有效控制，磨后增加回火工序，能夠降低零件報(bào)廢率。

關(guān)鍵詞：鍍鉻；氫脆；應(yīng)力腐蝕；沿晶開(kāi)裂；熱處理；除氫

氫脆斷裂屬于延遲性斷裂，又可叫做氫致延遲斷裂，其斷裂過(guò)程經(jīng)過(guò)以下途徑，氫遷移的方向沿應(yīng)力梯度逐漸前行，裂紋前沿的局部區(qū)域就變成脆性，當(dāng)裂紋裂到達(dá)脆化區(qū)后，其前沿區(qū)域氫濃度又降低了，應(yīng)力松弛導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展停止。裂紋經(jīng)過(guò)脆化，然后到擴(kuò)展，暫停再到脆化這樣的不連續(xù)形式，進(jìn)行完整的斷裂過(guò)程。這一過(guò)程長(zhǎng)短根據(jù)氫濃度梯度大小不同而不同，應(yīng)力的增加和濃度梯度增大將引起過(guò)程縮短。由于氫致斷裂有延遲性，故叫做“氫致延遲脆性斷裂”它是造成零件開(kāi)裂的重要原因。

1　工藝調(diào)查

機(jī)械中的軸類零件使用超高強(qiáng)度鋼制造，但是這些零件經(jīng)常以同樣的特性報(bào)廢掉，如制造工序、外形和其他報(bào)廢原因等，有少量零件達(dá)到100%的報(bào)廢率，如表1所示。表1中有5種30CrMnSiNi2A鋼材料的軸類零件。通過(guò)顯微硬度檢驗(yàn)和金相檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，這類高強(qiáng)度零件在進(jìn)行鍍鉻磨削時(shí)，它的顯微硬度和次表面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了差異性變化；經(jīng)過(guò)對(duì)除氫效果的探究和檢查鉻層實(shí)際厚度，發(fā)現(xiàn)磨削過(guò)程中，零件兩端都承受了較高的拉應(yīng)力，開(kāi)裂原因是應(yīng)力腐蝕和氫脆。在對(duì)此類零部件進(jìn)行鍍鉻過(guò)程中用磁力探傷檢驗(yàn)并無(wú)裂紋,然而在經(jīng)過(guò)磨削之后，再使用磁力探傷檢驗(yàn)，其裂痕就十分明顯，裂紋出現(xiàn)最多的地方在零件兩個(gè)端頭，呈現(xiàn)網(wǎng)狀裂開(kāi)特性。

表1　零件報(bào)廢表

調(diào)查表1中5種軸類零件工藝制作，發(fā)現(xiàn)在機(jī)械加工工藝中，5種零件中的4種外徑尺寸達(dá)到40~50mm，全部零件都沒(méi)有集體規(guī)定磨削參數(shù)；其中的4種零件只對(duì)鍍鉻后的鉻層厚度進(jìn)行了下限規(guī)定，但是沒(méi)有要求上限；鍍鉻后的零件在加工過(guò)程中，磨削時(shí)間和回火時(shí)間兩者間隔沒(méi)處理。

2　試驗(yàn)與分析

要對(duì)這類零件的開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，首先要對(duì)此類零件原材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，還要對(duì)材料的晶粒度、力學(xué)性能以及雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)此類零部件規(guī)格和材質(zhì)都符合技術(shù)要求。因此下一步就將開(kāi)裂處作為具體研究對(duì)象，在開(kāi)裂處部分小標(biāo)本，用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，能夠清晰看見(jiàn)裂紋在基體和鉻層連接處，還有一些裂紋是和鉻層相通的。從圖1中可以看出，裂紋沿晶開(kāi)裂向內(nèi)部擴(kuò)展，沿晶界與二次裂紋間的發(fā)紋線無(wú)分叉；裂紋與裂紋之間較平直，有穿晶開(kāi)裂的特征，而在向基體擴(kuò)展時(shí)，兩條裂紋就形成彎曲形狀。以上現(xiàn)象表明，裂紋有應(yīng)力腐蝕和氫脆的性狀。

圖1　基體裂紋形態(tài)

以上5種零件在制作工藝上要求鍍硬鉻，電鍍液鍍液溫度在55~60℃之間，其主要成分為硫酸2~2.5g/L和鉻酐200~250g/L，鍍層厚度保持在20~40μm。除氫溫度為要保持在190~210℃之間，時(shí)間控制在240min。由于鉻層布滿了細(xì)網(wǎng)狀裂紋，且這種裂紋與表面成直角，當(dāng)鉻層厚度超過(guò)20μm以上，鍍層在電鍍過(guò)程中就不會(huì)產(chǎn)生細(xì)孔，在鉻離子被還原成鉻原子時(shí)，這些物質(zhì)就在零件上沉積，它將作為陰極零件表面，此時(shí)陰極零件表面會(huì)溢出大量氫氣，這是由于電鍍過(guò)程中，大量氫離子被還原成氫原子，最終成為氫氣，然而，也并不是所有的氫原子都會(huì)呈現(xiàn)氫氣狀態(tài)溢出，依然存在大量氫原子和氫分子在零件的外表面吸附著，有些存在于鉻層網(wǎng)狀裂紋內(nèi)部。在進(jìn)行鍍鉻的操作中，鍍層往往都比較厚，在對(duì)其進(jìn)行磨削之，鉻層厚度達(dá)到80~100μm，少數(shù)零件可以達(dá)到200μm，這樣打的厚度，已經(jīng)大大超過(guò)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所要求的20~40μm的厚度。因?yàn)檫@個(gè)原因，鉻層就沒(méi)有很好的透氣性能，當(dāng)除氫溫度和除氫時(shí)間按照原來(lái)的時(shí)間規(guī)格和溫度進(jìn)項(xiàng)操作，較厚的鍍鉻零部件不能將全部的氫原子和氫分子清理干凈，剩下大量殘留，吸附在鍍鉻零件的基體表面。

氫脆斷裂屬于延遲性斷裂，又可叫做氫致延遲斷裂，其斷裂過(guò)程經(jīng)過(guò)以下途徑，氫遷移的方向沿應(yīng)力梯度逐漸前行，裂紋前沿的局部區(qū)域就變成脆性，當(dāng)裂紋裂到達(dá)脆化區(qū)后，其前沿區(qū)域氫濃度又降低了，應(yīng)力松弛導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展停止。裂紋經(jīng)過(guò)脆化，然后到擴(kuò)展，暫停再到脆化這樣的不連續(xù)形式，進(jìn)行完整的斷裂過(guò)程。這一過(guò)程長(zhǎng)短根據(jù)氫濃度梯度大小不同而不同，應(yīng)力的增加和濃度梯度增大將引起過(guò)程縮短。由于氫致斷裂有延遲性，故叫做“氫致延遲脆性斷裂”。

在實(shí)際的加工操作中，鍍鉻與除氫的時(shí)間間隔要保持在4小時(shí)之內(nèi)。而除氫與磨削的間隔時(shí)間保持在6小時(shí)之內(nèi)。短時(shí)間內(nèi)零件鍍層所受到的應(yīng)力還不至于出現(xiàn)裂痕，因此在鍍鉻后與磨削前這段時(shí)間內(nèi)，鍍鉻零件的磁力探傷并沒(méi)有裂紋。而后來(lái)對(duì)其進(jìn)行加工時(shí)，砂輪較鈍情況下的零件表面殘留有的應(yīng)力為拉應(yīng)力，磨削過(guò)程的磨擦熱會(huì)作用到零件表面和鉻層，并且相互間產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。兩種應(yīng)力外加上鍍層應(yīng)力幾者疊加后，磨削過(guò)程中，零件就會(huì)產(chǎn)生較高應(yīng)力水平，因此，鍍鉻零件就會(huì)產(chǎn)生氫脆和應(yīng)力腐蝕。

零件兩端的裂紋較多，由于零件在進(jìn)行磨削時(shí)，其兩端受到應(yīng)力大，溫度也比其他部位高。在電鍍時(shí)，零件作為陰極，因?yàn)殡姾捎屑w作用，鉻離子能夠沉積在零件的尖角處或者端頭。零件兩端聚集的鉻層就會(huì)比中間更厚，而零件兩端的磨削程度也比中間要大很多，產(chǎn)生的摩削熱也高于中間的熱度，客觀上零件兩端散熱效果要比零件中部差，最終使得零件兩端的熱應(yīng)力比中間大很多。砂輪對(duì)零件進(jìn)行磨削時(shí)，接觸部位最先為零件端頭，最后分離的部位也是兩端端頭。兩者進(jìn)行接觸時(shí)，零件從最初的靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)狀態(tài)；兩者分離時(shí)，零件由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止，兩個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，零件要生成較大慣性力，摩擦力與慣性力兩者共同對(duì)零件進(jìn)行作用，在磨削初始以及結(jié)束，零件的摩擦力都要比正常狀態(tài)大，這就是為什么在磨削過(guò)程中，零件兩端受熱大，中間溫度較低的重要原因。

由圖2顯示可以知道，其基體的顯微組織和靠近鉻層邊的顯微組織差異很明顯，零件中的基體顯微組織呈現(xiàn)針狀的形態(tài)，且分布較多，但是緊靠鉻層邊上的顯微組織卻很少有針狀物形態(tài)，而碳化物的析出還比較多。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，緊靠鉻層組織的在顯微鏡下顯示，其硬度壓痕較大，而相反的，遠(yuǎn)離鉻層的顯微硬度壓痕逐漸減小。

圖2　基體顯微組織

圖3　基體硬度變化圖

從顯微組織及其硬度關(guān)系變化這方面能夠發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行磨削時(shí)，零件表面會(huì)生成較高溫度，但馬氏體組織還沒(méi)有形成單一組織，其硬度低于基體硬度，因此零件的表層溫度應(yīng)設(shè)置在30CrMnSiNi2A鋼的Ac3臨界點(diǎn)之下，而在進(jìn)行磨削時(shí)，要注意選擇使用較小的磨削量。雖然飛行起落架上的軸類零件使用強(qiáng)度還是較高的，繞彎兒由于它對(duì)于氫的敏感性非常高，因此，盡管處于較低的應(yīng)力水平之下，零件零也很容易受到影響，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和氫脆現(xiàn)象。從上面的分析可以得知，飛行起落架上的高強(qiáng)度鋼的軸類零件在加工制造中發(fā)生應(yīng)力腐蝕和氫脆現(xiàn)象主要是由于：

（1）鍍鉻的鍍層比較厚，鍍層透氣性不好，導(dǎo)致在基體表面或者鍍層內(nèi)殘存的少量氫原子和氫分子未能在在除氫過(guò)程徹底清除。

（2）在對(duì)零件進(jìn)行磨削時(shí)，沒(méi)有設(shè)置好正確的磨削工藝參數(shù)，電鍍過(guò)程還有應(yīng)力的存在讓零件兩端產(chǎn)生的應(yīng)力比中間應(yīng)力高，使兩端和中間的溫度差異明顯。

3　工藝改進(jìn)

綜上所述的分析內(nèi)容，為盡量使零件正常不致開(kāi)裂，最好的辦法是將殘存在基體表面或者鍍層內(nèi)的殘留的氫原子或者氫分子徹底清除掉，減少在磨削過(guò)程中生成的應(yīng)力，或者能夠做到及時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力，保護(hù)好零件，延長(zhǎng)它的使用壽命，筆者提出以下改進(jìn)措施進(jìn)行改進(jìn)：

（1）首先要對(duì)操作流程和操作方法進(jìn)行規(guī)范，砂輪要盡量符合規(guī)格，對(duì)其進(jìn)給進(jìn)行改進(jìn)。

（2）在鍍鉻層上要嚴(yán)格規(guī)定規(guī)定其尺寸，設(shè)置尺寸上限，做到在滿足要求的情況下，盡量減少鉻層的厚度。

（3）持續(xù)保持砂輪的鋒利，可以選擇中等或勤修砂輪對(duì)零件進(jìn)行打磨，控制砂輪進(jìn)給量，可以降至0.005~0.001mm內(nèi)，加強(qiáng)在磨削過(guò)程中，設(shè)置冷卻裝置進(jìn)行冷卻。

（4）零件磨削時(shí)，盡量做到降低砂輪轉(zhuǎn)速和磨削點(diǎn)處的線速度，砂輪轉(zhuǎn)速要進(jìn)行嚴(yán)格控制。磨削之后進(jìn)行回火工序，兩者之間的間隔時(shí)間保持在6h內(nèi)。

4　　結(jié)語(yǔ)

基體和鍍層中含有較高的氫分子，機(jī)體表層的回火馬氏體組織和自身較高的碳含量共同導(dǎo)致了氫致延遲開(kāi)裂，而磨削應(yīng)力和電鍍層兩者之間的應(yīng)力為氫脆開(kāi)裂提供了應(yīng)力條件。對(duì)磨削參數(shù)和鍍層厚度進(jìn)行有效控制，磨后增加回火工序，能夠降低零件報(bào)廢率，在對(duì)零件進(jìn)行加工改造后，可以明顯改善零件的開(kāi)裂現(xiàn)象，零件的報(bào)廢率大大降低之后，企業(yè)能夠節(jié)約使用資金，最后獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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An Analysis of Causes Resulting in Cracking of High Strength Steel Axle Parts in Manufacturing Process and Process Improvement

GONG Huang-hui

（Hunan Railway Vocational and Technical College，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

Abstract：The properties of the material has a great impact on high strength steel shaft parts，and it is difficult to cut high strengthsteel，inmachiningprocess,highstrengthsteel axle parts may crack，when mechanically cutting the chrome plated layers，fractures can often be seen on their surface，and the characteristics are generally same.Therefore，to effectively control cutting parametersandplatingthicknessand involveintemperingprocessaftergrindingwouldreducethescraprateoftheparts.

Keywords:chromeplating；hydrogenembrittlement；stresscorrosion；intergranularcracking；heattreatment；dehydrogenation

作者簡(jiǎn)介：龔煌輝（1975-），男，湖南婁底人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：機(jī)械制造、工程材料。

收稿日期：2015-09-04

文章編號(hào)：2095-980X（2015）09-0047-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH16