D-SFCM860鋼曲軸淬火裂紋分析及工藝改進(jìn)

孫靜茹，尹建君

中車資陽機(jī)車有限公司曲軸事業(yè)部 四川資陽 641301

我公司生產(chǎn)的某型號柴油機(jī)曲軸，材質(zhì)為D-SFCM860鋼，采用TR法鐓鍛成形。曲軸鍛件長3504mm，主軸頸直徑276mm，曲柄銷直徑291mm，曲柄臂厚度107mm。

首批曲軸鍛件經(jīng)淬火＋高溫回火后，發(fā)現(xiàn)多支曲軸的曲柄臂上產(chǎn)生了淬火裂紋。為解決該問題，對曲軸裂紋形態(tài)、原材料、制造工藝及過程等進(jìn)行了分析，確定了產(chǎn)生淬火裂紋的原因。通過制定鍛件質(zhì)量控制措施，優(yōu)化熱處理工藝，杜絕了同類質(zhì)量問題的再次發(fā)生，實現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 裂紋形態(tài)分析

首批曲軸鍛件共7支，經(jīng)熱處理后發(fā)現(xiàn)有4支存在裂紋。裂紋均位于曲柄臂上平衡塊安裝面與曲柄臂外圓面相交處，與曲柄臂平面平行并向兩側(cè)延伸。裂紋處存在高約5mm、厚10～31mm不等的鍛造飛邊氣割殘留帶，且氣割表面凹凸不平（見圖1）。

對裂紋最嚴(yán)重處進(jìn)行打磨清理后發(fā)現(xiàn)，裂紋深度約20mm，裂紋向兩側(cè)的擴(kuò)展長度約150mm。

對曲柄臂上裂紋進(jìn)行打磨拋光后采用現(xiàn)場金相顯微鏡觀察，裂紋剛直、尾部尖細(xì)，兩側(cè)無聚集分布的非金屬夾雜物，內(nèi)部有輕微氧化。采用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，裂紋兩側(cè)無脫碳，基體顯微組織為均勻致密的回火索氏體，無晶粒粗大及過熱、過燒現(xiàn)象。

圖1 裂紋位置及形態(tài)

2 原材料分析

該曲軸材質(zhì)為D-SFCM860鋼，其C、Cr、Mn元素含量相對較高，且含有Ni、V元素，淬透性比曲軸常用的42CrMoA鋼高。本批出現(xiàn)裂紋的4支曲軸，其原材料均為同一熔煉爐號的鋼材，入廠后進(jìn)行了化學(xué)成分、低倍組織、非金屬夾雜物、晶粒度、力學(xué)性能、超聲波檢測等復(fù)驗，結(jié)果滿足技術(shù)要求，未出現(xiàn)異常。

抽取一支存在裂紋的曲軸，在其有裂紋和無裂紋的不同曲柄臂上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 曲軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 制造工藝及過程分析

3.1 鍛造工藝及過程

該曲軸采用TR法逐拐鐓鍛成形，每個曲拐分預(yù)鍛和終鍛兩個階段，鍛造加熱溫度均為1300℃。曲軸鍛件的加熱及鍛造過程未發(fā)現(xiàn)異常，鍛造完成后進(jìn)行了正火＋高溫回火處理。

采用TR法鐓鍛成形的曲軸，其曲柄臂上的平衡塊安裝面已鍛出。受工藝特點影響，曲柄臂鍛造成形后，平衡塊安裝面與曲柄臂外圓面相交處均會產(chǎn)生一定尺寸的鍛造飛邊。在鐓鍛下一曲拐時，因上一曲拐的曲柄臂上的鍛造飛邊與定位模發(fā)生干涉，影響定位和入模，故必須進(jìn)行氣割消除。氣割飛邊時，曲柄溫度還有1000℃左右，受高溫?zé)彷椛溆绊?，操作人員無法靠近曲柄進(jìn)行氣割。此外，為了避免氣割飛邊時損傷安裝面，氣割時氣槍火焰會高出安裝面5mm左右。受上述因素制約，飛邊氣割完成后，曲柄臂的平衡塊安裝面上均會留有一個高約5mm，厚度不等的飛邊殘留帶。經(jīng)實測，該曲軸上的飛邊殘留帶厚度在10～31mm，而前期已批量生產(chǎn)未發(fā)生問題的另一型號同材質(zhì)曲軸上的飛邊殘留帶厚度在5～9mm。曲軸上的鍛造飛邊經(jīng)氣割后未進(jìn)行后續(xù)處理，氣割表面凹凸不平，呈鋸齒狀。

3.2 熱處理工藝及過程

為獲得所需的力學(xué)性能，該曲軸鍛件進(jìn)行了淬火＋高溫回火處理，淬火時采用了水-空交替控時冷卻技術(shù)。此前，已批量熱處理過同一材質(zhì)、尺寸相近的另一型號曲軸鍛件，力學(xué)性能穩(wěn)定，未發(fā)生裂紋。在制定該曲軸熱處理工藝時借鑒了前期的經(jīng)驗，并進(jìn)行了模擬計算，其工藝曲線如圖2所示。實際生產(chǎn)中，曲軸淬火溫度為850℃±10℃[1]，淬火時調(diào)用φ275mm智能工藝進(jìn)行冷卻，回火溫度T根據(jù)每支曲軸的化學(xué)成分確定在580～630℃。

首批7支曲軸的淬火及高溫回火過程未發(fā)現(xiàn)異常，經(jīng)熱處理后，力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求且強(qiáng)度適中，發(fā)現(xiàn)裂紋的曲軸強(qiáng)度并不偏高，典型數(shù)據(jù)見表2。

圖2 熱處理工藝曲線

表2 首批曲軸力學(xué)性能

4 裂紋原因分析及討論

1）裂紋形態(tài)及金相檢驗結(jié)果表明，曲軸曲柄臂上裂紋具有淬火裂紋的特征，是在曲軸淬火過程中產(chǎn)生的。裂紋內(nèi)部的輕微氧化，是淬火后經(jīng)高溫回火引起的。

2）原材料分析結(jié)果表明，曲軸所用材料的各項指標(biāo)滿足技術(shù)要求，未出現(xiàn)異常，裂紋曲軸的金相檢驗也未發(fā)現(xiàn)材料缺陷。從化學(xué)成分分析結(jié)果來看，碳含量符合技術(shù)要求但偏上限。因該曲軸尺寸大，力學(xué)性能要求高，故D-SFCM860鋼的合金元素含量比較高，淬透性比較好，碳含量偏上限對淬火裂紋的產(chǎn)生有一定的影響。

3）從裂紋曲軸的金相檢驗結(jié)果可以看出，曲軸鍛造時未發(fā)生過熱、過燒，沒有晶粒粗大、組織不均勻現(xiàn)象[2]。產(chǎn)生裂紋的曲柄臂上，最直觀明顯的表面缺陷就是氣割飛邊時造成的鋸齒狀凹凸不平，這會在淬火過程中導(dǎo)致應(yīng)力集中，誘發(fā)淬火裂紋。

4）該曲軸的熱處理工藝參考了已批量生產(chǎn)的同一材質(zhì)、尺寸相近的另一型號曲軸的工藝，并經(jīng)過了模擬計算。曲軸經(jīng)熱處理后，基體顯微組織為均勻致密的回火索氏體，力學(xué)性能合格，強(qiáng)度適中，表明熱處理工藝參數(shù)適當(dāng)，熱處理過程也未發(fā)生過熱等導(dǎo)致組織粗大的現(xiàn)象。存在的問題是，曲柄臂上飛邊氣割后殘留部分尺寸較大，氣割處表面凹凸不平呈鋸齒狀。此外，曲軸采用了水-空交替控時冷卻技術(shù)，在曲軸的碳含量偏上限且鍛件表面存在缺陷時，熱處理工藝未充分考慮到這些情況對曲軸淬裂性的影響，可能冷卻速度仍稍顯偏快。

5）已批量生產(chǎn)的同一材質(zhì)、尺寸相近的另一型號曲軸未發(fā)生淬火裂紋問題，首批生產(chǎn)的7支該型號曲軸中有4支產(chǎn)生淬火裂紋，不是每支曲軸均發(fā)生淬火裂紋，也不是每個氣割飛邊處均發(fā)生淬火裂紋。經(jīng)實測和對比，前期生產(chǎn)的另一型號曲軸上，飛邊殘留帶高約5mm，厚度5～9mm；而發(fā)生淬火裂紋的該型號曲軸上，飛邊殘留帶高約5mm、厚度10～31mm，明顯偏大。兩種曲軸在淬火時，均有一段約10min的預(yù)冷時間。飛邊殘留帶厚度較小的另一型號曲軸，預(yù)冷階段飛邊殘留帶可完全冷透，在隨后的曲軸水-空交替冷卻過程中，飛邊殘留帶上雖然存在應(yīng)力集中，但因其已完全冷卻且不會再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而能抵抗曲柄臂整體發(fā)生組織轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力，故不會產(chǎn)生淬火裂紋。該型號曲軸上飛邊殘留帶厚度明顯偏大，預(yù)冷階段尺寸較大的飛邊殘留帶沒有完全冷透，在隨后的曲軸水-空交替淬火過程中，會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變形成硬脆的馬氏體層，當(dāng)曲柄臂整體發(fā)生組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生表面拉應(yīng)力時，因飛邊殘留帶上的硬脆馬氏體層表面呈鋸齒狀，故在應(yīng)力集中最嚴(yán)重處產(chǎn)生了開裂。

綜上所述，可確定該曲軸的淬火裂紋與材料的碳含量偏上限、鍛件上存在尺寸較大的飛邊殘留帶、制定熱處理工藝時未充分考慮這些因素的影響，其裂紋的產(chǎn)生是由各方面因素綜合疊加誘發(fā)產(chǎn)生。

5 改善措施

為解決該曲軸淬火裂紋問題，根據(jù)分析結(jié)果制定改善措施如下：

1）編制曲軸鍛件氣割飛邊作業(yè)指導(dǎo)書，明確規(guī)定曲軸鍛件的飛邊經(jīng)氣割消除后，在將曲軸發(fā)送熱處理工序前，必須對氣割表面進(jìn)行打磨或加工，確保圓滑過渡。

2）優(yōu)化熱處理工藝，確保力學(xué)性能達(dá)到技術(shù)要求的前提下，降低曲軸的淬火溫度及冷卻速度，避免淬火裂紋的產(chǎn)生。經(jīng)試驗，優(yōu)化后的熱處理工藝曲線如圖3所示，曲軸淬火溫度降低到830℃±10℃，淬火時調(diào)用φ270mm智能工藝進(jìn)行冷卻，回火溫度工藝保持不變。

圖3 優(yōu)化后的熱處理工藝曲線

經(jīng)采取措施控制曲軸鍛件質(zhì)量并對熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化后，后續(xù)批量處理了15支曲軸，力學(xué)性能及金相組織均符合要求，未出現(xiàn)淬火裂紋，力學(xué)性能的典型數(shù)據(jù)見表3。

表3 工藝優(yōu)化后的曲軸力學(xué)性能

6 結(jié)束語

1）作為大型鍛件[3]，曲軸在熱處理過程中產(chǎn)生淬火裂紋的原因復(fù)雜多樣，需結(jié)合工藝和制造過程進(jìn)行綜合分析。本次D-SFCM860鋼曲軸發(fā)生淬火裂紋，就是在材料的碳含量偏上限、鍛件上存在尺寸較大的飛邊殘留帶、熱處理時淬火冷卻速度偏快等因素的共同作用下誘發(fā)產(chǎn)生的。

2）為解決該D-SFCM860鋼曲軸淬火裂紋質(zhì)量問題，根據(jù)分析結(jié)果所采取的控制曲軸鍛件質(zhì)量、降低淬火溫度和冷卻速度等措施合理有效，保證了后續(xù)曲軸的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，同時也為后續(xù)同類材質(zhì)或其他高合金鋼曲軸的熱處理積累了經(jīng)驗。