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        錐套鍛件內(nèi)孔開裂原因分析與工藝優(yōu)化

        2022-11-03 09:59:22張根紅陳民濤太原重工股份有限公司
        鍛造與沖壓 2022年19期
        關(guān)鍵詞:錐套夾渣鋼錠

        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(guān)鍵零部件,其利用錐套本身回轉(zhuǎn)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(xué)成分,力學(xué)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(shù)要求

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

        技術(shù)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(jìn)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(xué)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(xué)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(kuò)孔→平整,鍛后進(jìn)行退火處理,消除殘余應(yīng)力和降低硬度,便于進(jìn)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(xué)成分分析

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

        表2 化學(xué)成分分析(wt%)

        力學(xué)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(jìn)行力學(xué)性能檢測,力學(xué)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(xué)性能檢測

        金相分析

        低倍試驗分析結(jié)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(jié)果

        高倍檢驗結(jié)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(jié)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(jié)果

        結(jié)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(dǎo)致嚴(yán)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(kuò)散導(dǎo)致的微觀偏析,凝固初期浮選或沉淀過程導(dǎo)致物理位移,并且錠型越大越容易出現(xiàn)偏析。

        ⑶鋼錠結(jié)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(dǎo)致沖擊性能不合格的重要原因之一。

        ⑷采用大型鋼錠進(jìn)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(jìn)行烘烤,保證爐渣的堿度、粘度及一定的流動性,適當(dāng)延長白渣下的精煉時間,合金在真空前全部調(diào)整進(jìn)入內(nèi)控,真空后不允許再進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(jìn)導(dǎo)流套,并按照工藝要求做好烘烤,澆注過程中加強(qiáng)氣體保護(hù)。

        ⑷調(diào)整加熱工藝,將加熱溫度由原來的1200℃改為1220℃,進(jìn)行高溫擴(kuò)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(dá)到細(xì)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(kuò)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(jìn)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(jié)論

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

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