錐套鍛件內(nèi)孔開裂原因分析與工藝優(yōu)化

文／張根紅，陳民濤·太原重工股份有限公司

油膜軸承是一種理想的滑動軸承，工作時處于純液體摩擦狀態(tài)，錐套屬于油膜軸承的關鍵零部件，其利用錐套本身回轉時油被卷吸到收斂的楔形間隙，從而形成壓力以平衡外部載荷，此時錐套與襯套之間被一層極薄的油膜隔開，使軸承一直處在液體摩擦狀態(tài)下工作。本文針對本廠生產(chǎn)的錐套鍛件在半精加工時的內(nèi)孔開裂，通過對錐套斷口，材料化學成分，力學性能，高、低倍的檢驗等的綜合分析，得出了錐套內(nèi)孔裂紋出現(xiàn)的原因并給出改善措施。

錐套的技術要求

錐套材質(zhì)為50CrMnMo，生產(chǎn)工藝流程為：鑄錠→鍛造→消應力處理→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→半精加工→消應力→精加工。

技術要求為：

⑴調(diào)質(zhì)處理，表面硬度要求321 ～363HBW，硬度差≤40HBW；

⑵按JB/T 5000.15-2007 Ⅱ級進行UT 檢測；

⑶性能檢測要求，ReL≥720MPa、Rm≥900MPa、A ≥12%、Z ≥36%、AkU3≥40J；

⑷鋼錠采用電弧爐＋精煉＋真空脫氣，錐套的化學成分見表1，H ≤2.5ppm、O ≤40ppm、N ≤75ppm，錐套的尺寸簡圖見圖1。

圖1 錐套尺寸簡圖(單位mm)

表1 錐套的化學成分（wt%）

錐套的生產(chǎn)過程

鍛造采用16t 鋼錠，一支鋼錠鍛造兩件錐套，鋼錠加熱溫度為1200℃，保溫7h，開坯后鋸切鍛造。

鍛造工藝流程為：鐓粗→沖孔→芯棒拔長→擴孔→平整，鍛后進行退火處理，消除殘余應力和降低硬度，便于進行粗加工。鍛后熱處理曲線見圖2，調(diào)質(zhì)熱處理曲線見圖3。

圖2 50CrMnMo 試驗材料鍛后熱處理曲線

圖3 50CrMnMo 試驗材料調(diào)質(zhì)熱處理曲線

失效分析

宏觀分析

錐套開裂位于內(nèi)孔約1/4 高度區(qū)域，裂紋長度約1 米，裂紋形態(tài)為連續(xù)或斷續(xù)。錐套完整形貌見圖4，裂紋宏觀形貌見圖5。

圖4 錐套完整形貌

圖5 裂紋宏觀形貌

化學成分分析

在裂紋處取縱向試片，裂紋附近取部分軸向試片?；瘜W成分分析見表2，H ≤0.65ppm、O ≤14.8ppm、N ≤61.2ppm，化學成分滿足用戶要求。

表2 化學成分分析(wt%)

力學性能及硬度檢測

在裂紋斷口附近1/2 壁厚處，取2 件試樣進行力學性能檢測，力學性能檢測見表3，錐套的硬度及硬度差符合用戶要求，沖擊值不符合要求。

表3 力學性能檢測

金相分析

低倍試驗分析結果見表4，鍛件存在典型夾渣缺陷，可判定為不合格，并且有明顯可見的枝晶偏析(圖6、圖7、圖8)。

圖6 低倍組織

圖8 夾渣缺陷

表4 低倍試驗分析結果

高倍檢驗結果見表5，金相組織：回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體。斷口宏觀形貌見圖9，其在備用試片(未酸浸含裂紋)上直接斷口，斷口基體為結晶狀；裂紋區(qū)域為灰白色或綠色塊狀缺陷，屬于典型夾渣斷口。

圖9 斷口宏觀形貌

表5 高倍檢驗結果

結果分析

⑴錐套裂紋位于內(nèi)孔呈環(huán)狀，特征為斷續(xù)或連續(xù)；低倍及斷口均為夾渣斷口，且有目視可見的夾渣，說明開裂系因夾渣的存在，導致嚴重破壞基體連續(xù)性，使鋼的組織性能的不均勻性增加和質(zhì)量下降。而夾渣缺陷系在鋼液的冶煉及澆注過程中，鋼液表面所浮的爐渣、熔渣及剝落的耐火材料，或鋼液被大氣氧化所形成的氧化物等雜質(zhì)所致，屬于原材料冶金缺陷。

⑵枝晶偏析是小區(qū)域范圍內(nèi)的擴散導致的微觀偏析，凝固初期浮選或沉淀過程導致物理位移，并且錠型越大越容易出現(xiàn)偏析。

⑶鋼錠結晶過程中夾雜物在晶界上沉積，在鍛造時沉積在晶界上的夾渣物沿加工方向伸長，使晶界變的脆弱；另外，回火溫度偏低也是導致沖擊性能不合格的重要原因之一。

⑷采用大型鋼錠進行鍛造，一支鋼錠鍛造多件錐套，不可避免的會暴露鋼錠內(nèi)部固有的A 型和V 型偏析缺陷。

改善措施

⑴提高鋼液的純凈性及成分的均勻性，采用優(yōu)質(zhì)廢鋼及合金材料對原材料進行烘烤，保證爐渣的堿度、粘度及一定的流動性，適當延長白渣下的精煉時間，合金在真空前全部調(diào)整進入內(nèi)控，真空后不允許再進行成分調(diào)整。

⑵提高耐火材料的質(zhì)量，對澆注系統(tǒng)所用耐火材料進行精選及澆注前烘烤。

⑶在出鋼及澆注過程中，避免鋼液的二次氧化；認真清理中間包，及時清除包底粘渣，減少將外來夾雜物帶入鋼水的幾率；改進導流套，并按照工藝要求做好烘烤，澆注過程中加強氣體保護。

⑷調(diào)整加熱工藝，將加熱溫度由原來的1200℃改為1220℃，進行高溫擴散，使成分和組織盡可能均勻。

⑸合理的鍛壓變形，鍛造時采用兩次鐓粗和兩次拔長的工序，加大鍛比，打碎枝晶，使鋼錠充分鍛透，焊合內(nèi)部缺陷，以達到細化晶粒的目的?？偟腻懺毂取?，并保證前期每一火的鍛比均≥2，最后一火擴孔時的鍛比必須≥1.5，保證整個鍛件充分鍛透，變形均勻，成形良好。

⑹選擇較小的鋼錠錠型進行鍛造，一支鋼錠鍛造一件錐套，避免使用大型鋼錠加重凝固偏析。

⑺提高調(diào)質(zhì)處理回火溫度，回火溫度提升至530 ～550℃。

結論

錐套鍛件的冶煉及鍛造工藝改進后，金相檢測及性能檢測均達到了用戶要求，探傷滿足JB/T 5000.15-2007 Ⅱ級要求，合格率達到100%，且均未出現(xiàn)裂紋或其他缺陷，滿足合格交貨標準。在解決錐套鍛件裂紋問題的過程中，積累了一定相關經(jīng)驗，為50CrMnMo錐套的生產(chǎn)提供了一套標準化的工藝流程，有效提高了鍛件質(zhì)量。