42CrMo电渣熔铸曲轴的断裂原因分析
我厂生产的铁路调车机车用柴油机，采用的是42crMo电渣熔铸曲轴。电渣熔铸曲轴的工艺流程为：去应力退火→一次正火→二次正火→粗加工→调质处理→半精加工→去应力退火→精加工→去应力退火→粗磨→渗氮处理→精磨→质检→装配曲轴→装入柴油机→性能试验。
几年来，曲轴使用情况一直较好，但在一次装机试验过程中，发生050615号曲轴1位连杆径横向突然折断事故。为此，我们将柴油机解体后，对曲轴分别进行了宏观检验、金相组织检验、化学成分分析、实物质量检查和热处理工艺分析等，最后找到了断裂的原因，并提出了改进措施。
1．理化检验
(1)宏观检验 曲轴的宏观断口全貌如图1所示。山断口清晰可见：断面与曲拐轴中心线基体垂直，断面齐平；断口显示有一处明显凹坑状缺陷；连杆径油道孔(断口黑色部分)，正好与凹坑状缺陷相连。从图2可看出凹坑状缺陷的形貌，其位置与油道孔相交，尺寸为40mm×20mm，坑底平坦光滑。从图3可以看出，断口为纤维状塑性断口，可见明显的放射状撕裂岭，最后破断区较小。
(2)金相检验 在凹坑状缺陷处取样，经高倍显微镜观察，中心部位及边缘部位均未见集中分布的非金属夹杂物，按GB 10561 1989 A、B类评定，均≤1级。
显微组织显示有明显铸态枝晶，曲轴心部及边缘部位枝晶均以珠光体斑为晶轴(见图4、图5)，基体晶粒度可评为7级。由于曲轴直径较大，热处理调质淬火时没有完全淬透，所以曲轴边缘组织与心部组织不同(见4及图5)。靠近裂纹源凹坑处显微组织未见异常(见图6及图7)。
(3)化学成分 分析经过对缺陷部位进行化学成分分析，该曲轴的化学成分符合GB／T3077—1999标准中42CrMo钢的技术要求(如表1所示)。
(4)曲轴实物检测 从曲轴的外表向心部检测硬度，检测情况如表2所示。在曲轴2/3处取样检测的力学性能结果见表3。曲轴表面渗氮层硬度检测结果见表4。
从实物检查数据看，热处理的调质、表面的渗氮处理工序基本上满足了技术要求。
2．原因分析
(1)从断口看为纤维状断口，裂纹源(凹坑状缺陷)位于轴径的中心部位，应属于热应力引发的塑性断裂。断裂的扩展发生在工件加热过程中内外温差较大时，当中心部位承受较大拉应力，由于温度较低而无法依靠塑性变形来加以协调时，便沿凹坑状缺陷扩展裂纹。
众所周知，加热速度对热应力的大小有影响。加热速度快时，使17件内外温差增大，导致工件热应力增大。尤其对于熔铸过程中形成的金相组织，对加热速度的影响更为敏感。曲轴热处理工艺中规定了加热速度≤120℃/h。在实际操作中把加热炉加热到845。C，然后把曲轴装入热炉中经2.5h到达845℃(约合338℃/h)。对于大型工件，热处理加热速度过快，将导致均温前工件内外温差大，温差所产生的拉应力沿凹坑状缺陷释放扩展了原有的裂纹。
(2)材料内部各部位的显微组织均属正常。位于轴径中心部位40mm×20mm的凹坑状缺陷为材料内部严重的应力集中区，是曲轴断裂的明显裂纹源。当曲轴中心部位承受拉应力时，凹坑边缘便产生巨大的尖角效应，裂纹在此会迅速扩展，使曲轴单位面积承载能力急剧下降。曲轴装入柴油机做性能试验，曲轴要承受燃气压力和往复运动质量惯性力的交变作用、强烈的弯曲和扭转、交变疲劳应力以及轴系扭转震动等。作为合格的曲轴完全可以满足使用要求，而对于已经存在裂纹的曲轴，意味着减少了曲轴的有效承载截面，在柴油机试验过程产生的外力一旦超过了曲轴的许用应力，将导致裂纹瞬间扩展到曲轴的整个横截面，使曲轴发生折断。这充分说明了最后破断区较小的原因。
(3)作为裂纹源的凹坑是在曲轴熔铸过程中的未焊合的缺陷。根据凹坑的形态，可以确认是在连杆径熔铸凝固过程中气体未来得及逸出而留下的痕迹。
中心凹坑是在钢锭重熔过程中的上部补缩部分中存在缩孔，是应该去除的工艺余量，在锯切制作曲轴连杆径时，未能完全去除而留在曲轴连杆径中。因有气体存在，所以熔铸时在此处形成未完全熔合缺陷。
(4)曲轴在成品后每根都要使用CEW-300型曲轴专用探伤机做探伤检查，但只能检查表面及近表面是否存在缺陷，只有使用超声波探伤才能检查内部是否存在缺陷。对于曲轴来说，由于形状复杂、进油孔多，因此做超声波探伤检查存在一定困难。
由以上分析可以得出结论：
曲轴中心部位的凹坑状缺陷是断裂的裂纹源，热处理过程中，由于加热和冷却速度快所产生的热应力，导致了裂纹的扩展，致使曲轴有效承载截面减少，在柴油机试验过程中，外力超过了单位截面的许用应力，使曲轴瞬间发生断裂。
3．采取的措施
(1)对于熔铸钢锭上部由于补缩而产生的气孔，切除尺寸由原来的50～60mm变为大于100mm，以确保将缩孔完全去除。
(2)按照热处理工艺规定，严格控制加热和冷却速度。
(3)修改原有的电渣熔铸曲轴探伤操作规程，实行熔铸前对钢锭的探伤检查，以及曲轴在精加工后、组装前的探伤检查。
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2023/10/6647.html