淺析原材料對楔橫軋件內(nèi)部質(zhì)量的影響

文／王超·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

采用楔橫軋工藝生產(chǎn)變速箱副箱加長中間軸/副箱中間軸，發(fā)現(xiàn)軋制的零件存在嚴(yán)重孔洞。對原材料和零件取樣進(jìn)行低倍分析，符合國標(biāo)要求。但是在高倍顯微鏡下觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼材內(nèi)部存在白點(diǎn)，分析認(rèn)為該孔洞是原材料加熱軋制時(shí)以白點(diǎn)處為裂紋源，受力后擴(kuò)散形成。

楔橫軋是一種軸類零件成形工藝技術(shù)，與傳統(tǒng)的切削、鍛造零件成形工藝比較，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的組成部分。楔橫軋的工作原理：兩個(gè)帶楔形模具的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)圓形軋件旋轉(zhuǎn)，軋件在楔形孔型的作用下，軋制成各種形狀的臺階軸，楔橫軋的變形特點(diǎn)主要是徑向壓縮和軸向延伸。

由于楔橫軋工藝這種徑向壓縮和軸向延伸的成形特點(diǎn)，軋制的零件心部易產(chǎn)生疏松，甚至形成縮孔、孔洞等缺陷，這類缺陷削弱了零件的強(qiáng)度，并最終導(dǎo)致零件失效。影響楔橫軋件心部質(zhì)量的因素，河北東安張軍改、山東鋼鐵李法興等專家做了詳細(xì)的研究和分析，認(rèn)為在實(shí)際生產(chǎn)中，楔橫軋件心部質(zhì)量的影響因素包括以下方面：

⑴原材料，主要是疏松等級、夾雜物級別；

⑵軋制溫度；

⑶模具設(shè)計(jì)。

在生產(chǎn)中主要是使用超聲波探傷儀來檢測零件心部質(zhì)量，其檢測原理是：超聲波以持續(xù)時(shí)間極短的發(fā)射脈沖發(fā)射到被測試件的內(nèi)部，利用被測試件的內(nèi)部缺陷或者地面反射回來的回波信號來探知反射源的具體位置和大小，從而判斷被測試件的完整性，即判斷其是否有缺陷存在，并且可以進(jìn)一步的探知缺陷的位置和大小。

查找原因

筆者是從事楔橫軋零件生產(chǎn)的技術(shù)人員，生產(chǎn)中也接觸到楔橫軋件中心疏松、縮孔之類的缺陷。在生產(chǎn)變速箱副箱加長中間軸/副箱中間軸（材質(zhì)：8620H）時(shí)，發(fā)現(xiàn)軋制的零件連續(xù)出現(xiàn)超聲波探傷不合格的現(xiàn)象，在有缺陷波的位置處標(biāo)記，并剖切，發(fā)現(xiàn)心部存在縮孔，嚴(yán)重的呈貫通式孔洞狀(圖1）。由于生產(chǎn)的是成熟產(chǎn)品，且模具使用狀況良好，因此，決定更換一爐鋼材進(jìn)行驗(yàn)證，切換新爐號后，軋制100根零件，超聲波探傷全部合格（表1）。

圖1 軋件貫通式縮孔

表1 超聲波探傷對比

對問題爐號和新爐號的原材料取樣分析，兩個(gè)爐號鋼材的低倍（圖2）、化學(xué)成分（表2）、力學(xué)性能（表3）均符合國標(biāo)要求，且波動(dòng)小，未發(fā)現(xiàn)有能引起軋件產(chǎn)生縮孔的因素。

對問題爐號的原材料進(jìn)行超聲波探傷抽查，發(fā)現(xiàn)原材料本身存在嚴(yán)重傷波（圖3），且比例較高，在傷波位置處鋸切取樣3件，3個(gè)樣件在低倍下觀察，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見異常缺陷（圖4），研磨拋光后在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)樣件有兩條微裂紋，最長的一條2.049mm（圖5）。經(jīng)過分析對比，確定這種缺陷屬于白點(diǎn)，也叫氫脆。原因是鋼中氫含量高，白點(diǎn)處的斷口晶粒自由面由兩種相貌的表面晶體組成。在晶面有較多的位錯(cuò)線，氫的固溶會在位錯(cuò)線周圍偏聚形成氣團(tuán)，從而使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋，使得鋼材心部強(qiáng)度極差，鋼材經(jīng)熱加工變形后在冷卻過程中因應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。在楔橫軋軋制過程中，坯料成形時(shí)受三向拉應(yīng)力，心部在交變應(yīng)力的作用下，裂紋進(jìn)一步沿縱向發(fā)展，各條微裂紋匯集到一起，形成縮孔，縮孔進(jìn)一步擴(kuò)展，成為貫通式的孔洞。

圖2 低倍組織試樣

表2 化學(xué)成分分析（%）

表3 力學(xué)性能分析

圖3 超聲波探傷波形

圖4 鋼材傷波缺陷位置處取樣低倍形貌

圖5 顯微組織觀察

分析

白點(diǎn)是鋼中常見的一種冶金缺陷，是鋼材中未逸散的氫原子在軋制時(shí)產(chǎn)生組織應(yīng)力，加上軋后冷卻速度過快等外因，應(yīng)力超過了鋼的極限強(qiáng)度形成開裂，應(yīng)力和氫的共同作用是白點(diǎn)形成的主要因素，會成為今后的裂紋源，對產(chǎn)品的危害極大，不僅容易造成應(yīng)力集中給熱處理零件帶來開裂的危險(xiǎn)性，更由于鋼中氫含量的提高而使鋼的性能變脆，使鋼容易脆性斷裂。

白點(diǎn)表面組織并無任何異常，無論顯微組織還是化學(xué)成分都與鄰處別無兩樣，因此，送檢樣品的低倍組織和化學(xué)成分均顯示合格，給判斷缺陷的成因帶來了干擾。白點(diǎn)是不允許的缺陷，而同樣當(dāng)量大小的夾雜物則可能是允許的，GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》標(biāo)準(zhǔn)中雖然將白點(diǎn)分為5級，但這僅起到表明白點(diǎn)嚴(yán)重程度的作用，這里不存在合格和不合格的問題，在任何情況下都不能使用有白點(diǎn)的鍛件，不能用有白點(diǎn)的鋼材加工制造機(jī)器零件。

白點(diǎn)的缺陷波形特征是當(dāng)移動(dòng)探頭檢測到缺陷部位時(shí)，回波會此起彼伏，而且分布范圍較大，基本集中于工件的中心部位，波形尖銳活躍，重復(fù)性差，成群白點(diǎn)有時(shí)會使底波明顯降低甚至消失。因此，對原材料進(jìn)行超聲波探傷，可以檢測出該類缺陷，從源頭進(jìn)行控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)隔離報(bào)廢，避免對楔橫軋軋制過程造成影響。

結(jié)束語

⑴原材料中存在白點(diǎn)，軋制時(shí)心部從白點(diǎn)裂紋源頭開始擴(kuò)散，造成軋制的毛坯出現(xiàn)縮孔；

⑵在金相顯微鏡下觀察，即可發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，為缺陷定性提供了依據(jù)；

⑶利用超聲波探傷，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼材中存在白點(diǎn)，在有傷波的位置處，取原材料樣件進(jìn)行分析，有1個(gè)樣件發(fā)現(xiàn)了白點(diǎn)缺陷，印證了超聲波探傷的結(jié)論；

⑷發(fā)現(xiàn)原材料存在傷波時(shí)，在剖切的位置無法發(fā)現(xiàn)缺陷，是因?yàn)榱鸭y源較小，鋸切取樣無法精確取到缺陷所在的位置，這個(gè)是干擾對缺陷波進(jìn)行定性的最大難題。