CN110726612B - 一种曲轴热处理的解剖验收评定方法 - Google Patents

一种曲轴热处理的解剖验收评定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲轴热处理的解剖验收评定方法，其包括：评定与材料有关的缺陷检验和评定与工艺有关的缺陷检验；评定与材料有关的缺陷检查包括断口检验、横向低倍检验、脱碳层检验，评定与工艺有关的缺陷包括纵向低倍检验、过热组织检验。本发明通过全面的解剖验收评定，能够更加准确的指导生产，避免含批量性含缺陷组织的曲轴无法被检出而被放行的情况发生。

Description

一种曲轴热处理的解剖验收评定方法
技术领域
本发明属于柴油发动机技术领域，涉及一种曲轴热处理的解剖验收评定方法。
背景技术
我厂生产的柴油机属于大功率高速发动机，主要为装甲车辆提供动力。曲轴作为柴油机的关键运动部件，结构为轴类结构，主要承受连杆传来的力，并将其转换为转矩通过曲轴输出并驱动柴油机上其他附件工作。由于受到旋转质量的离心力、周期往复变化的惯性力共同作用，使曲轴承受交变弯曲扭转载荷的作用，这就要求曲轴具有很高的强度，轴颈表面需要耐磨度高、工作均匀，平衡性好的特点。
曲轴生产采用材料为18Cr2Ni4WA和34CrNiMo6两种，热加工工艺方法采用锻造+锻造后热处理(初次热处理)+调质处理(最终热处理)，通过热处理能够显著提升曲轴的综合性能，并通过定期解剖考核，检验是否满足图纸和技术验收条件的要求。
定期解剖作为考核材料能力、工艺稳定性的一种重要方法和手段，在WRXX4、WRXX5、WRXXX2A等型号柴油机曲轴的技术条件中均提出了进行定期解剖的要求。但由于34CrNiMo6曲轴生产时间较短，对该种材料研究不够深入，且又是德国牌号材料，无相关国家标准指导，工厂至今无适宜的评定方法，在生产中一直借用18Cr2Ni4WA材料曲轴标准为依据进行定期解剖和评定。
由于34CrNiMo6曲轴的订货量不断增加，并有代替18Cr2Ni4WA的趋势，所以制订一种适宜于34CrNiMo6材料曲轴的定期解剖评定方法是十分必要的。通过对该材料曲轴生产和试验数据进行收集和分析，制订了本曲轴热处理的解剖验收评定方法。
通过对曲轴原材料进行深入研究，结合在生产过程中出现的质量问题，背景技术主要集中在材料特点、热处理工艺性等方面存在着缺陷，具体如下：
在材料特点方面，由于采用34CrNiMo6材料进行曲轴生产的历史时间较短，对材料特性研究不够深入，在定期解剖时暂时借用18Cr2Ni4WA材料标准进行评定。但由于34CrNiMo6钢和18Cr2Ni4WA钢在材料化学成分(对比见表1)、断口的形态、过热温度都有较大区别，使用18Cr2Ni4WA曲轴标准来评定的可操作性和准确性是较差的。34CrNiMo6为德国牌号材料，无对应的国家标准指导，与该材料相近的国标材料为40CrNiMoA，但在含碳量、合金含量等方面存在不小的差异(对比见表1)，导致在热处理工艺参数的选择、金相组织、断口形态等的判定均存在着不小的差异，使用国家标准对解剖验收进行判定也是不适宜的。
表1三种材料的化学成分对比
Figure BDA0002233734270000021
在热处理工艺性方面，对比18Cr2Ni4WA和34CrNiMo6的差异性，18Cr2Ni4WA为高强度中合金渗碳钢(低碳马氏体钢)，对应国家标准为GB/T3077-2015，强度、韧性高，淬透性良好，34CrNiMo6为高强度调质钢，德国牌号材料，综合性能优良，淬透性良好，更适合于制造高功率密度轴类。现执行标准中规定用正火后断口组织来评定过热，这种方法只能检验锻造过程无过热情况，后面的工艺过程则无法检验。因为在实际生产中，曲轴解剖是在毛坯正火、高温回火和调质处理后进行的，锻造过热不严重则已消除，如仍有过热说明过热已相当严重了，即对过热组织存在漏检的可能性。合理的作法应该是检查高温过热，即在正火+高温回火、调质处理后进行本体解剖观察是否有过热情况的发生。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种曲轴热处理的解剖验收评定方法，以解决曲轴热处理后过热组织缺少判定方法的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种曲轴热处理的解剖验收评定方法，其包括：评定与材料有关的缺陷检验和评定与工艺有关的缺陷检验；评定与材料有关的缺陷检查包括断口检验、横向低倍检验、脱碳层检验，评定与工艺有关的缺陷包括纵向低倍检验、过热组织检验。
其中，所述断口检验中，选取两个34CrNiMo6材料试样进行断口检验，试样1为直径40mm、长度120mm的圆柱试样，中间割槽，槽深不得深于10mm，折断后进行横向断口检验；试样2为直径50mm、长度20mm的圆柱试样，在试样的横截面中间割槽，槽深不得深于10mm，折断后进行纵向断口检验。
其中，所述断口检验中，利用10倍放大镜对试样的断口进行检查，34CrNiMo6材料断口通常呈现以下形态：
结晶状断口，具有灰暗的金属光泽，有结晶颗粒，端面平齐的灰色断口，此类断口形态为34CrNiMo6材料的正常形态；
层状断口，沿热加工方向呈现凸凹不平的、无金属光泽的非结晶构造条带，条带中又伴有灰色线条的断口，出现此类断口形态判定不合格；
白点断口，呈现圆形或椭圆形银白色斑点，斑点内的组织为颗粒状，出现此类断口形态判定不合格。
夹杂物断口，在纵向断口上，与金属机体有边界、不同的金属光泽和组织的条带，或者块状缺陷，出现此类断口形态判定不合格。
其中，所述断口检验中，当断口不清晰，缺陷不确定时，使用抗拉强度测试机对试样进行横向力学性能测试，以判定断口是否合格。
其中，所述横向低倍检验中，曲轴解剖后从毛坯件中心处切取1个试样进行横向低倍检验，试样为直径40mm、高度20mm的圆柱试样，试样面垂直于曲轴的延伸方面，圆面打磨平整后酸浸蚀20分钟，清除试样表面的腐蚀产物后在热水下刷洗干净并吹干后观察；利用10倍放大镜对断口进行检查，34CrNiMo6材料横向低倍检验的缺陷包括以下方面：
缩孔，钢液在转化为固态的过程中，由于体积的收缩，在最后凝固的部分得不到钢液补充而形成的收缩空洞；酸蚀后表现的形态为不规则的孔隙或裂缝，孔隙颜色深，出现此类缺陷判定为不合格；
翻皮，由于炼钢时钢水表面氧化膜翻入钢水中，凝固时未能浮出造成的；在酸蚀后的试样上呈现暗黑色条纹带，并在周围伴有夹杂和气孔，出现此类缺陷判定为不合格；
白点，钢材在冷却过程中，未逸出的氢留存于晶界间，导致钢材内部出现裂纹；在酸蚀后的试样上呈现圆形或椭圆形银白色斑点，斑点内的组织为颗粒状，出现此类缺陷判定为不合格。
折叠，在酸蚀后的试样上呈现出与钢材表面斜交的裂纹，裂纹附近有脱碳现象，出现此类缺陷判定为不合格；
无以上缺陷情况则视为合格。
其中，所述纵向低倍检验中，把曲轴剖开后进行腐蚀后观察金属流线，金属流线与曲轴形状在允许的误差范围内一致时，判定为合格，否则为不合格。
其中，所述过热组织检验中，肉眼观察断口组织为正常的纤维状断口或正常细结晶状断口时，判定为合格；断口组织为过热断口粗结晶断口或为严重过热特粗结晶断口，则判定为不合格；
对于晶粒度介于肉眼或放大镜能够直接判断出特征明显的组织之间的形态，采用定量金相分析法，定量金相分析是通过在扫描电镜金相照片上通过作图法进行，用割线法测定晶粒大小，测试直线的总长为50mm，晶粒直径用平均截线长度L2表示，试样的晶粒度按公式计算：L2＝50/直线穿过的晶粒个数，晶粒度＝-3.24-6.64lg(L2)；
通过计算，晶粒度高于6为合格。
其中，所述脱碳层检验中，采用硬度法检验，即在垂直于曲轴长轴方向切取试样，试样规格为直径100mm、厚度20mm的圆柱状，试样边缘不允许有倒圆和卷边，检测硬度面要求平整；检测硬度时从边缘沿直径方向向圆心处逐点进行硬度检测，直到硬度值满足技术条件规定后停止，测量试样外边缘至最后一次硬度点位的距离即脱碳层深度。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的曲轴热处理的解剖验收评定方法，通过全面的解剖验收评定，能够更加准确的指导生产，避免含批量性含缺陷组织的曲轴无法被检出而被放行的情况发生。
附图说明
图1为曲轴解剖金属流线图示。
图2为34CrNiMo6钢过热断口形貌图。
图3为电镜金相照片图示。
图4为试样硬度打点顺序图示。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
通过工艺试验以及生产数据分析，本发明曲轴热处理的解剖验收评定方法包括两部分：评定与材料有关的缺陷检验和评定与工艺有关的缺陷检验；评定与材料有关的缺陷检查包括断口检验、横向低倍检验、脱碳层检验，评定与工艺有关的缺陷包括纵向低倍检验、过热组织检验。
1、断口检验
断口指金属材料受到外力作用发生的随机的无方向性的破裂，破裂面呈现各种凹凸不平的形状。曲轴解剖后于毛坯件半径的1/3处切取2个试样进行断口检验，试样1为直径40mm、长度120mm的圆柱试样，中间割槽，槽深不得深于10mm，折断后进行横向断口检验。试样2为直径50mm、高度20mm的圆柱试样，在试样的横截面中间割槽，槽深不得深于10mm，折断后进行纵向断口检验。
利用10倍放大镜对断口进行检查，34CrNiMo6材料断口通常呈现以下形态：
结晶状断口，具有灰暗的金属光泽，有明显的结晶颗粒，端面平齐的灰色断口，此类断口形态为34CrNiMo6材料的正常形态。
层状断口，出现在纵向断口上，沿热加工方向呈现凸凹不平的、无金属光泽的非结晶构造条带，条带中又伴有灰色线条的断口。层状断口是由夹杂和偏析造成的，严重的层状会导致曲轴的塑性、韧性大幅度下降。出现此类断口形态判定不合格。
白点断口，呈现圆形或椭圆形银白色斑点，斑点内的组织为颗粒状。白点主要是由钢中含氢量过多造成的，会破坏金属的连续性，出现此类断口形态判定不合格。
夹杂物断口，在纵向断口上，与金属机体有明显的边界，不同的金属光泽和组织的条带，或者块状缺陷。此种缺陷是混入金属或非金属夹杂物，出现此类断口形态判定不合格。
当断口不清晰，缺陷难以确定时，使用抗拉强度测试机对试样1进行横向力学性能测试。横向力学性能符合表2要求，则断口为合格。
表2力学性能指标
Figure BDA0002233734270000071
2、横向低倍检验
因为在18Cr2Ni4WA材料曲轴解剖中出现过轴心晶间裂纹和严重碳偏析，所以在本方法中增加了横向低倍检验内容。
曲轴解剖后从毛坯件中心处切取1个试样进行横向低倍检验，试样为直径40mm、高度20mm的圆柱试样，试样面垂直于曲轴的延伸方面，圆面打磨平整后酸浸蚀20分钟，清除试样表面的腐蚀产物后在热水下刷洗干净并吹干后观察。
利用10倍放大镜对断口进行检查，34CrNiMo6材料横向低倍检验的缺陷包括以下方面：
缩孔，钢液在转化为固态的过程中，由于体积的收缩，在最后凝固的部分得不到钢液补充而形成的收缩空洞。酸蚀后表现的形态为不规则的孔隙或裂缝，孔隙颜色较深，甚至穿透试样正反面。出现此类缺陷判定为不合格。
翻皮，由于炼钢时钢水表面氧化膜翻入钢水中，凝固时未能浮出造成的。在酸蚀后的试样上呈现暗黑色条纹带，并在周围伴有夹杂和气孔。出现此类缺陷判定为不合格。
白点，钢材在冷却过程中，未逸出的氢留存于晶界间，导致钢材内部出现裂纹和韧性降低。在酸蚀后的试样上呈现圆形或椭圆形银白色斑点，斑点内的组织为颗粒状。出现此类缺陷判定为不合格。
折叠，在酸蚀后的试样上呈现出与钢材表面斜交的裂纹，裂纹附近有脱碳现象。出现此类缺陷判定为不合格。
无以上缺陷情况则视为合格。
3、纵向低倍检验
主要是观察锻件毛坯的金属流线，和锻造工艺密切相关。由于钢材具有各向异性，即沿着流线方向抗拉强度较高，垂直流线方向抗拉强度较低，评定流线是必要的。通过把曲轴剖开后进行腐蚀后观察金属流线(见图1)，由于锻压比的关系流线不可能与曲轴形状完全一致，但要求基本上是一致的，不允许出现乱流、回流、涡流等情况即可。
4、过热组织检验
过热组织是和工艺有关的缺陷，是常见的热加工缺陷之一，淬火时发生过热会使马氏体组织粗大，强度和韧性都较低，易于发生脆性断裂。过热断口虽然可以通过正火处理予以消除或减轻，但曲轴解剖是最终热处理后的检验，不允许有过热组织。
过热组织一般情况下通过肉眼观察断口形态，试验表明34CrNiMo6钢过热断口是以粗晶形式出现。断口组织为正常的纤维状断口(淬火后得到马氏体的调质断口)，或正常细结晶状断口(淬火后得到贝氏体的调质断口)，如图2a所示，判定为合格。断口组织为过热断口粗结晶断口或为严重过热特粗结晶断口，如图2b所示，过热严重后组织晶粒粗大严重，并伴随明亮的金属光泽，则判定为不合格。
上面的方法只适用于使用肉眼或放大镜就能够直接判断出特征明显的组织，对于晶粒度介于之间的形态，用肉眼无法清洗观察和判断时，就需要采用定量金相分析法，具体如下：
定量金相分析是通过在扫描电镜金相照片(放大400倍)上通过作图法进行，用割线法测定晶粒大小，测试直线的总长为50mm(如图3所示)，晶粒直径用平均截线长度L2表示，试样的晶粒度按公式计算：L2＝50/直线穿过的晶粒个数，晶粒度＝-3.24-6.64lg(L2)。
通过计算，晶粒度高于6为合格。
5、脱碳层检验
由于34CrNiMo6材料经过高温加热时，表面碳会与氧、氢等发生作用生成二氧化碳、水等，导致金属表层含碳量降低，硬度和耐磨性随着降低，脱碳严重时直接影响产品适用寿命，所以在本方法中增加了对脱碳层的检验。
对脱碳层的检验采用硬度法检验，即在垂直于曲轴长轴方向切取试样，试样规格为直径100mm、厚度20mm的圆柱状，试样边缘不允许有倒圆和卷边，检测硬度面要求平整。检测硬度时按照图4的方向进行，逐点进行硬度检测，直到硬度值满足技术条件规定后停止，测量试样外边缘至最后一次硬度点位的距离即脱碳层深度。
通过采用硬度法检验每边总脱碳层深度不大于零件直径的1.5％判定为合格。
由上述技术方案可以看出，本发明通过对生产和有关试验数据的收集，制订了一种曲轴热处理的解剖验收评定方法，完全适用于34CrNiMo6材料生产的曲轴，无需再借用参考其他标准；选择了不同的工序节点对过热组织进行检验，即由原先的初次热处理后检验调整为最终热处理后进行检验和判定，消除了不合格品流出的可能性。同时，在原先对过热组织定性分析的基础上，增加了定量金相分析方法，检验精度得到了进一步的提升；增加对脱碳层的检验，防止批量性脱碳严重的零件流转到下一道工序，保证了产品质量；能够更加准确的指导生产，避免含批量性含缺陷组织的曲轴无法被检出而被放行的情况发生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种曲轴热处理的解剖验收评定方法，其特征在于，包括：评定与材料有关的缺陷检验和评定与工艺有关的缺陷检验；评定与材料有关的缺陷检查包括断口检验、横向低倍检验、脱碳层检验，评定与工艺有关的缺陷包括纵向低倍检验、过热组织检验；
所述断口检验中，选取两个34CrNiMo6材料试样进行断口检验，试样1为直径40mm、长度120mm的圆柱试样，中间割槽，槽深不得深于10mm，折断后进行横向断口检验；试样2为直径50mm、长度20mm的圆柱试样，在试样的横截面中间割槽，槽深不得深于10mm，折断后进行纵向断口检验；
所述断口检验中，利用10倍放大镜对试样的断口进行检查，34CrNiMo6材料断口通常呈现以下形态：
结晶状断口，具有灰暗的金属光泽，有结晶颗粒，端面平齐的灰色断口，此类断口形态为34CrNiMo6材料的正常形态；
层状断口，沿热加工方向呈现凸凹不平的、无金属光泽的非结晶构造条带，条带中又伴有灰色线条的断口，出现此类断口形态判定不合格；
白点断口，呈现圆形或椭圆形银白色斑点，斑点内的组织为颗粒状，出现此类断口形态判定不合格；
夹杂物断口，在纵向断口上，与金属机体有边界、不同的金属光泽和组织的条带，或者块状缺陷，出现此类断口形态判定不合格；
所述断口检验中，当断口不清晰，缺陷不确定时，使用抗拉强度测试机对试样进行横向力学性能测试，以判定断口是否合格；
所述横向低倍检验中，曲轴解剖后从毛坯件中心处切取1个试样进行横向低倍检验，试样为直径40mm、高度20mm的圆柱试样，试样面垂直于曲轴的延伸方面，圆面打磨平整后酸浸蚀20分钟，清除试样表面的腐蚀产物后在热水下刷洗干净并吹干后观察；利用10倍放大镜对断口进行检查，34CrNiMo6材料横向低倍检验的缺陷包括以下方面：
缩孔，钢液在转化为固态的过程中，由于体积的收缩，在最后凝固的部分得不到钢液补充而形成的收缩空洞；酸蚀后表现的形态为不规则的孔隙或裂缝，孔隙颜色深，出现此类缺陷判定为不合格；
翻皮，由于炼钢时钢水表面氧化膜翻入钢水中，凝固时未能浮出造成的；在酸蚀后的试样上呈现暗黑色条纹带，并在周围伴有夹杂和气孔，出现此类缺陷判定为不合格；
白点，钢材在冷却过程中，未逸出的氢留存于晶界间，导致钢材内部出现裂纹；在酸蚀后的试样上呈现圆形或椭圆形银白色斑点，斑点内的组织为颗粒状，出现此类缺陷判定为不合格；
折叠，在酸蚀后的试样上呈现出与钢材表面斜交的裂纹，裂纹附近有脱碳现象，出现此类缺陷判定为不合格；
无以上缺陷情况则视为合格；
所述纵向低倍检验中，把曲轴剖开后进行腐蚀后观察金属流线，金属流线与曲轴形状在允许的误差范围内一致时，判定为合格，否则为不合格；
所述过热组织检验中，肉眼观察断口组织为正常的纤维状断口或正常细结晶状断口时，判定为合格；断口组织为过热断口粗结晶断口或为严重过热特粗结晶断口，则判定为不合格；
对于晶粒度介于肉眼或放大镜能够直接判断出特征明显的组织之间的形态，采用定量金相分析法，定量金相分析是通过在扫描电镜金相照片上通过作图法进行，用割线法测定晶粒大小，测试直线的总长为50mm，晶粒直径用平均截线长度L2表示，试样的晶粒度按公式计算：L2＝50/直线穿过的晶粒个数，晶粒度＝-3.24-6.64lg(L2)；
通过计算，晶粒度高于6为合格；
所述脱碳层检验中，采用硬度法检验，即在垂直于曲轴长轴方向切取试样，试样规格为直径100mm、厚度20mm的圆柱状，试样边缘不允许有倒圆和卷边，检测硬度面要求平整；检测硬度时从边缘沿直径方向向圆心处逐点进行硬度检测，直到硬度值满足技术条件规定后停止，测量试样外边缘至最后一次硬度点位的距离即脱碳层深度。
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