文/张根红,陈民涛·太原重工股份有限公司 油膜轴承是一种理想的滑动轴承,工作时处于纯液体摩擦状态,锥套属于油膜轴承的关键零部件,其利用锥套本身回转时油被卷吸到收敛的楔形间隙,从而形成压力以平衡外部载荷,此时锥套与衬套之间被一层极薄的油膜隔开,使轴承一直处在液体摩擦状态下工作。本文针对本厂生产的锥套锻件在半精加工时的内孔开裂,通过对锥套断口,材料化学成分,力学性能,高、低倍的检验等的综合分析,得出了锥套内孔裂纹出现的原因并给出改善措施。 锥套的技术要求锥套材质为50CrMnMo,生产工艺流程为:铸锭→锻造→消应力处理→粗加工→调质处理→半精加工→消应力→精加工。 技术要求为: ⑴调质处理,表面硬度要求32~363HBW,硬度差≤40HBW; ⑵按JB/T 5000.15-2007 Ⅱ级进行UT 检测; ⑶性能检测要求,Re≥720MPa、Rm≥900MPa、A≥12%、Z≥36%、AkU3≥40J; ⑷钢锭采用电弧炉+精炼+真空脱气,锥套的化学成分见表1,H≤2.5ppm、O≤40ppm、≤75ppm,锥套的尺寸简图见图1。 图1 锥套尺寸简图(单位mm) 表1 锥套的化学成分(wt%) 锥套的生产过程锻造采用16t 钢锭,一支钢锭锻造两件锥套,钢锭加热温度为1200℃,保温7h,开坯后锯切锻造。 锻造工艺流程为:镦粗→冲孔→芯棒拔长→扩孔→平整,锻后进行退火处理,消除残余应力和降低硬度,便于进行粗加工。锻后热处理曲线见图2,调质热处理曲线见图3。 图2 50CrMnMo 试验材料锻后热处理曲线 图3 50CrMnMo 试验材料调质热处理曲线 失效分析宏观分析 锥套开裂位于内孔约1/4 高度区域,裂纹长度约1 米,裂纹形态为连续或断续。锥套完整形貌见图4,裂纹宏观形貌见图5。 图4 锥套完整形貌 图5 裂纹宏观形貌 化学成分分析 在裂纹处取纵向试片,裂纹附近取部分轴向试片。化学成分分析见表2,H ≤0.65ppm、O≤14.8ppm、N≤61.2ppm,化学成分满足用户要求。 表2 化学成分分析(wt%) 力学性能及硬度检测 在裂纹断口附近1/2 壁厚处,取2 件试样进行力学性能检测,力学性能检测见表3,锥套的硬度及硬度差符合用户要求,冲击值不符合要求。 表3 力学性能检测 金相分析 低倍试验分析结果见表4,锻件存在典型夹渣缺陷,可判定为不合格,并且有明显可见的枝晶偏析(图6、图7、图8)。 图6 低倍组织 图7 裂纹形态 图8 夹渣缺陷 表4 低倍试验分析结果 高倍检验结果见表5,金相组织:回火索氏体+贝氏体+少量铁素体。断口宏观形貌见图9,其在备用试片(未酸浸含裂纹)上直接断口,断口基体为结晶状;裂纹区域为灰白色或绿色块状缺陷,属于典型夹渣断口。 图9 断口宏观形貌 表5 高倍检验结果 结果分析⑴锥套裂纹位于内孔呈环状,特征为断续或连续;低倍及断口均为夹渣断口,且有目视可见的夹渣,说明开裂系因夹渣的存在,导致严重破坏基体连续性,使钢的组织性能的不均匀性增加和质量下降。而夹渣缺陷系在钢液的冶炼及浇注过程中,钢液表面所浮的炉渣、熔渣及剥落的耐火材料,或钢液被大气氧化所形成的氧化物等杂质所致,属于原材料冶金缺陷。 ⑵枝晶偏析是小区域范围内的扩散导致的微观偏析,凝固初期浮选或沉淀过程导致物理位移,并且锭型越大越容易出现偏析。 ⑶钢锭结晶过程中夹杂物在晶界上沉积,在锻造时沉积在晶界上的夹渣物沿加工方向伸长,使晶界变的脆弱;另外,回火温度偏低也是导致冲击性能不合格的重要原因之一。 ⑷采用大型钢锭进行锻造,一支钢锭锻造多件锥套,不可避免的会暴露钢锭内部固有的A型和V型偏析缺陷。 改善措施⑴提高钢液的纯净性及成分的均匀性,采用优质废钢及合金材料对原材料进行烘烤,保证炉渣的碱度、粘度及一定的流动性,适当延长白渣下的精炼时间,合金在真空前全部调整进入内控,真空后不允许再进行成分调整。 ⑵提高耐火材料的质量,对浇注系统所用耐火材料进行精选及浇注前烘烤。 ⑶在出钢及浇注过程中,避免钢液的二次氧化;认真清理中间包,及时清除包底粘渣,减少将外来夹杂物带入钢水的几率;改进导流套,并按照工艺要求做好烘烤,浇注过程中加强气体保护。 ⑷调整加热工艺,将加热温度由原来的1200℃改为1220℃,进行高温扩散,使成分和组织尽可能均匀。 ⑸合理的锻压变形,锻造时采用两次镦粗和两次拔长的工序,加大锻比,打碎枝晶,使钢锭充分锻透,焊合内部缺陷,以达到细化晶粒的目的。总的锻造比≥5,并保证前期每一火的锻比均≥2,最后一火扩孔时的锻比必须≥1.5,保证整个锻件充分锻透,变形均匀,成形良好。 ⑹选择较小的钢锭锭型进行锻造,一支钢锭锻造一件锥套,避免使用大型钢锭加重凝固偏析。 ⑺提高调质处理回火温度,回火温度提升至530~550℃。 结论锥套锻件的冶炼及锻造工艺改进后,金相检测及性能检测均达到了用户要求,探伤满足JB/T 5000.15-2007 Ⅱ级要求,合格率达到100%,且均未出现裂纹或其他缺陷,满足合格交货标准。在解决锥套锻件裂纹问题的过程中,积累了一定相关经验,为50CrMnMo锥套的生产提供了一套标准化的工艺流程,有效提高了锻件质量。 作者简介张根红 主要从事锻件加热、锻造及锻后冷却工艺的编制等研究工作,主持完成过轴钢锻件生产研究项目,某型叶轮的生产研究项目等。 —文章选自《锻造与冲压》2022年第19期 |
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