42CrMoA鋼搖臂失效原因分析及解決措施初探

彭必勝，彭期偉，曾佑文，樊世敏

重慶長征重工有限責任公司 重慶 400083

1 序言

在凸輪軸發(fā)動機中，搖臂是很重要的零部件之一，控制著進排氣門的開閉，工作環(huán)境非常差，一直在較大的脈沖負荷下高頻運動，因此要求其具有良好的綜合力學(xué)性能。

某鍛造廠生產(chǎn)的搖臂，材料為42CrMoA鋼，主要加工工序為：φ170m m棒料下料→改鍛成φ120mm棒料→模鍛→正火→調(diào)質(zhì)→檢測→拋丸→機加工→磁粉檢測→防銹處理→裝箱發(fā)貨。為防止變形，工件經(jīng)模鍛成形后沒有作切邊處理，冷卻后直接轉(zhuǎn)熱處理車間進行正火+調(diào)質(zhì)處理，其中熱處理淬火冷卻介質(zhì)為K油，淬火完成后立即轉(zhuǎn)移至回火爐進行回火。曾經(jīng)有一批工件，回火出爐檢測合格后，經(jīng)銑削加工飛邊時發(fā)現(xiàn)部分工件在分模面出現(xiàn)裂紋缺陷，比例約20%，形態(tài)如圖1所示。

圖1 裂紋缺陷形態(tài)

2 原因分析與判定

2.1 材料化學(xué)成分及淬火冷卻介質(zhì)

（1）化學(xué)成分 該產(chǎn)品材料為42CrMoA鋼，其化學(xué)成分按GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》要求并查鋼廠材質(zhì)化學(xué)成分數(shù)據(jù)，產(chǎn)品實際取樣檢測結(jié)果見表1。

從表1可看出，鋼廠數(shù)據(jù)和實際取樣檢測數(shù)據(jù)都符合GB/T 3077—2015規(guī)定，盡管鋼廠數(shù)據(jù)中的C、Mn、Cr、Mo等與實際取樣數(shù)據(jù)相比存在一定的差異，但偏差不大。根據(jù)合金元素對材料的影響，Mn、Cr、Mo等能夠增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲過冷奧氏體向貝氏體或馬氏體轉(zhuǎn)變，也就是使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖曲線右移，從而增加鋼的淬透性[1]，在實際取樣數(shù)據(jù)中，這幾個元素都偏下限，算是普通42CrMo鋼材料，沒有明顯的異于國標范圍的合金元素。同時，進行非金屬夾雜物檢測，其結(jié)果為A：0/0.5，B：0/0.5，C：0/0.5，D：0/1，DS：0.5，符合GB/T 3077—2015要求。因此，從材料成分的角度來講，還不足以說明是材料原因造成的工件開裂。

表1 42CrMoA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（2）淬火冷卻介質(zhì) 采用好富頓公司的快速淬火油——K油。在發(fā)現(xiàn)工件分模面裂紋后，于當天通知該公司專業(yè)人員來現(xiàn)場進行了取樣檢測，根據(jù)測定使用中的K油冷卻特性曲線（見圖2），查得工件在淬火冷卻過程中的低溫階段（即300℃以下的馬氏體轉(zhuǎn)變溫區(qū)，42CrMo鋼的Ms點為280℃左右[1]），油的冷卻速度從20℃/s逐漸降低，可以說相當?shù)土?，且從檢測數(shù)據(jù)看，油中不含水分，其他項點也未見異常（見表2）。由此可知，淬火冷卻介質(zhì)也不存在導(dǎo)致工件開裂的異常情況。

圖2 K油冷卻特性曲線

表2 攪拌2h后取樣測得的K油各項點數(shù)據(jù)

經(jīng)過上述分析可以得出結(jié)論：材料成分及淬火冷卻介質(zhì)不是造成工件開裂的直接原因。

2.2 微觀金相分析

對裂紋處取樣作脫碳檢測，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 表面脫碳情況

圖4 心部脫碳情況

從圖3、圖4可看出，在裂紋附近有脫碳現(xiàn)象，越靠近表面，脫碳現(xiàn)象越明顯，在裂紋靠近工件表面處，有大面積的氧化脫碳現(xiàn)象，表明工件在淬火加熱前已經(jīng)有裂紋缺陷產(chǎn)生。由于我廠使用的熱處理淬火加熱爐是常規(guī)加熱爐，無保護性氣氛，故在加熱過程中造成沿裂紋邊緣的氧化脫碳現(xiàn)象，而越靠近心部脫碳越輕微，這是因為淬火應(yīng)力使原裂紋擴展，并在高溫回火過程中產(chǎn)生了輕微脫碳現(xiàn)象。因此，從裂紋邊緣脫碳情況看，工件表面的初始裂紋源也不是淬火造成的。

2.3 宏觀實物缺陷分析

為了更直觀地進行判斷，從現(xiàn)場未銑飛邊的實物中截取了一塊比較典型的缺陷樣品，折疊形態(tài)如圖5所示。從圖5可看出，在缺陷表層有一道明顯的夾層（見圓弧線區(qū)域內(nèi)），該夾層的產(chǎn)生，是金屬在變形過程中已氧化的表層金屬匯合在一起而形成的，這即是折疊的定義[2]。

圖5 折疊形態(tài)

2.4 判定

經(jīng)過上述分析，可以得出該裂紋缺陷產(chǎn)生的原因判定：鍛造的分模面折疊缺陷形成裂紋源，導(dǎo)致后序熱處理的淬火應(yīng)力（熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的疊加）在該裂紋源處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且超過該材料的疲勞臨界值，從而擴展成裂紋[1]，致使工件開裂失效。

3 解決措施初探

坯料在模具型腔中的成形，是通過高溫坯料在壓力擠壓下的金屬流動而成的。金屬在模壓變形過程中，總是遵循最小阻力定律，即金屬在外力作用下發(fā)生塑性變形時，其內(nèi)部質(zhì)點總是沿著最小阻礙方向流動，若設(shè)計或操作不當，就會造成工件的局部區(qū)域表面金屬向鍛件內(nèi)部流動，從而使坯料表面的氧化層和潤滑物質(zhì)等雜質(zhì)一起折入鍛件內(nèi)部而形成折疊。

搖臂折疊集中于分模面。對于分模面缺陷，有資料分析認為是鍛件分模面錯移，在切邊時產(chǎn)生嚴重撕裂而形成，并與開式熱模鍛成形的過程和分模面本身固有的組織缺陷有關(guān)[3]。但對于本批次分模面缺陷，折疊處有明顯的氧化皮等雜質(zhì)（見圖5a），厚度達1mm以上。據(jù)了解，本批鍛件在終鍛后，由于少量鍛件因尺寸厚度超上差，即鍛造行業(yè)俗稱“未打靠”，所以進行了第二次加熱鍛造。相對于第一火次的鍛造，第二火次使工件表面氧化皮加厚，由于表面氧化皮與基體金屬的流動性不一致，從而使工件在再次鍛打過程中出現(xiàn)分模面分層，即所謂“垮皮”現(xiàn)象，形成分模面折疊。

因此，應(yīng)盡量做到一火成形，避免二火或多火次鍛造。后續(xù)生產(chǎn)中通過一火成形后，分模面折疊問題沒有再出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

1）本批部分工件熱處理調(diào)質(zhì)后出現(xiàn)分模面裂紋失效，是由于鍛造過程中產(chǎn)生的分模面折疊引起淬火應(yīng)力擴展而造成的。

2）二火成形是產(chǎn)生分模面折疊缺陷的根本原因，因此要力爭一火成形。

3）若鍛件中已出現(xiàn)了分模面折疊，則應(yīng)及時進行打磨或機加工消除，避免流入熱處理工序使缺陷進一步擴展而造成工件開裂失效。