45A鋼電機(jī)主軸鍛件無(wú)屈服現(xiàn)象的成因分析

興 超，鄭安雄

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金化工系，河南 濟(jì)源459000；2.河南中原特鋼裝備制造有限公司技術(shù)中心，河南 濟(jì)源459000)

防爆電機(jī)的主軸鍛件主要由45A鋼鍛造而成。由于防爆電機(jī)對(duì)安全系數(shù)的要求極高，因而作為其核心零件的電機(jī)主軸必須具有良好的綜合機(jī)械性能，且必須有明顯的屈服點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)主軸鍛件試樣在拉伸性能測(cè)試中無(wú)明顯屈服現(xiàn)象時(shí)，則判定其不合格。本文對(duì)有屈服現(xiàn)象和無(wú)屈服現(xiàn)象的試樣鋼鍛件進(jìn)行性能測(cè)試和對(duì)比分析，探討不合格軸鍛件無(wú)屈服現(xiàn)象的成因，并提出工藝改進(jìn)措施，旨在對(duì)防爆電機(jī)主軸鍛件的生產(chǎn)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

45A鋼電機(jī)主軸鍛件的生產(chǎn)工藝流程為：60 t EAF電弧爐冶煉→60 t LF鋼包精煉→60 t VD真空脫氣→氬氣保護(hù)模鑄鋼錠→鋼錠紅送→加熱→3 150 t油壓機(jī)鍛造開(kāi)坯→1 800 t 徑向鍛造機(jī)成型→正回火-檢驗(yàn)、探傷→下料、切片理化檢測(cè)→入庫(kù)。

在有屈服現(xiàn)象的合格電機(jī)主軸鍛件中選2個(gè)典型代表樣，即1#，2#樣；在無(wú)屈服現(xiàn)象的不合格電機(jī)主軸鍛件中選2個(gè)典型代表樣，即3#，4#樣。鍛件尺寸自印記端起為：φ240 mm×380 mm +φ350 mm×2 515 mm +φ290 mm×805 mm，2倍尺鍛造成型，且2支鍛件非印記端相連，退火后鋸切成2件。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)《交、直流電機(jī)軸鍛件技術(shù)條件》(JB/T 1271—2002)：φ<250 mm時(shí)，取皮下1/3R處縱向試樣；φ≥250 mm時(shí)，取皮下1/3R處切向試樣。分別檢測(cè)爐錠號(hào)E1601229-5-1與E1601229-5-2兩端的性能。試樣鋼的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，不合格電機(jī)軸鍛件的檢測(cè)結(jié)果均比合格鍛件的檢測(cè)結(jié)果偏低。這是因?yàn)樵嚇拥臋z測(cè)方向不一致。1#試樣的強(qiáng)度值比2#試樣的強(qiáng)度略低，前者的延伸、斷面收縮率及沖擊功比后者略高，表明其塑性更好。4#試樣的強(qiáng)度比3#試樣的強(qiáng)度略低，延伸、斷面收縮率比后者略高，沖擊較前者低。這說(shuō)明，試樣的缺口越深、越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形或斷裂，沖擊功越小，表現(xiàn)出來(lái)的脆性越高。

表1 試樣鋼的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 化學(xué)成分檢測(cè)

分析4#試樣的拉伸試樣(編號(hào)4#-B)和沖擊試樣(編號(hào)4#-A)以及2#試樣的沖擊試樣(編號(hào)2#-A)的化學(xué)成分(見(jiàn)表2)。由表2可以看出，與《交、直流電機(jī)軸鍛件技術(shù)條件》(JB/T 1271—2002)中的相關(guān)值對(duì)比，各試樣的化學(xué)成分檢測(cè)值均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，但無(wú)屈服現(xiàn)象的試樣中碳含量偏高。

表2 試樣的化學(xué)成分 %

2.3 夾雜物評(píng)級(jí)

將4#-B拉伸試樣、4#-A沖擊試樣、2#-A沖擊試樣縱向磨制拋光，在顯微鏡下觀察非金屬夾雜物情況，并按照《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》(GB/T 10561—2005)進(jìn)行評(píng)級(jí)。非金屬夾雜物的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，3組試樣的夾雜物大多處于0～0.5級(jí)，都處于較好的水平，非金屬夾雜物的級(jí)別最高為2級(jí)，無(wú)異常夾雜物存在。

表3 非金屬夾雜物的檢驗(yàn)結(jié)果

2.4 顯微組織觀察

用不同粒度的砂紙和拋光膏將試樣打磨拋光后，截取成金相試樣，再用4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用金相顯微鏡(萊卡，DMILM型)觀察其組織形貌。試樣的組織形貌圖如圖1所示。從圖1可觀察到，圖1(a)和(b)中2#-A試樣有輕微帶狀偏析，沖擊缺口與帶狀方向垂直，為縱向沖擊；圖1(c)和(d)中4#-A試樣的沖擊缺口與帶狀方向平行；圖1(e)和(f)為2#試樣的拉伸試樣(2#-B)的顯微組織。

(a) 2#-A(100×) (b) 2#-A(500×) (c) 4#-A(100×) (d) 4#-A(500×)

3 討論與分析

由圖1可以知，2#-A沖擊試樣和2#-B拉伸試樣的金相組織主要為鐵素體(灰白部分)+珠光體(黑色部分)組成。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 4#-A沖擊試樣和4#-B拉伸試樣的顯微組織中，除了常規(guī)的鐵素體和珠光體，還存在部分貝氏體(如圖中紅框部分)組織。室溫下，鐵素體組織的晶體結(jié)構(gòu)是體心立方晶格，珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，其強(qiáng)度和硬度要高于鐵素體組織。貝氏體是介于擴(kuò)散性珠光體轉(zhuǎn)變和非擴(kuò)散性馬氏體轉(zhuǎn)變之間的一種中間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其強(qiáng)度、硬度高于珠光體。4#-B試樣拉伸斷口的形貌圖如圖2所示。觀察圖2可知，斷口有大量韌窩存在，屬塑性斷口，斷口中未發(fā)現(xiàn)異常形貌。

圖2 4#-B試樣拉伸出口的形貌圖

金屬塑性變形[1-2]是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。屈服現(xiàn)象是位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的交互作用在力學(xué)性能上的強(qiáng)烈反應(yīng)。鋼材在受力前，位錯(cuò)受到強(qiáng)烈釘扎，位錯(cuò)密度較小。為了讓材料按一定的速度進(jìn)行變形，就要有較高的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度，這就要求外力不斷增加。但是，當(dāng)有外力作用時(shí)，位錯(cuò)就會(huì)大量脫釘和增殖，位錯(cuò)密度就會(huì)陡然增加，而應(yīng)變速率基本恒定。因此，必須減少外應(yīng)力才能使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度降低[3]；而當(dāng)運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)密度增加時(shí)，受力時(shí)位錯(cuò)之間的相互作用強(qiáng)烈，應(yīng)變硬化的行為突出[4-6]。當(dāng)45A鋼中貝氏體含量增多時(shí)，由于貝氏體的亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)，所以含貝氏體較多的4#試樣鋼屈服現(xiàn)象不明顯。

綜合對(duì)比不同試樣的力學(xué)性能及顯微組織可知，C原子沒(méi)有得到足夠擴(kuò)散，產(chǎn)生半擴(kuò)散型貝氏體相變，而貝氏體的亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)，鋼中固溶的C等原子與位錯(cuò)形成氣團(tuán)，從而“可動(dòng)”位錯(cuò)密度較高導(dǎo)致4#試樣無(wú)屈服現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)鋼中貝氏體含量較高時(shí)，強(qiáng)化作用較大，應(yīng)變硬化的行為突出，易造成鋼材的屈服點(diǎn)不明顯[7]。因此，含部分貝氏體組織的4#試樣無(wú)屈服現(xiàn)象產(chǎn)生。

造成45A鋼工件屈服強(qiáng)度存在明顯差別的直接原因應(yīng)是熱處理的冷卻控制不當(dāng)，使鋼材組織中的貝氏體含量增加。因此，對(duì)45A鋼無(wú)屈服工件進(jìn)行850 ℃淬火油冷后，再進(jìn)行240 ℃條件下低溫回火處理，或?qū)㈠懠胖米匀粫r(shí)效以使C原子進(jìn)行充分?jǐn)U散，從而抑制45A鋼組織中貝氏體的含量，可使其拉伸曲線上又出現(xiàn)明顯屈服點(diǎn)。

4 結(jié)論

45A電機(jī)主軸鍛件試樣無(wú)屈服現(xiàn)象的主要原因是由于熱處理的冷卻控制不當(dāng)，造成組織中貝氏體含量的增加。對(duì)45A鋼無(wú)屈服試料進(jìn)行850 ℃淬火+240 ℃低溫回火處理或自然時(shí)效處理時(shí)，能夠抑制45A鋼組織中貝氏體的含量，出現(xiàn)明顯屈服點(diǎn)。