45A钢电机主轴锻件无屈服现象的成因分析

兴 超，郑安雄

(1.济源职业技术学院 冶金化工系，河南 济源459000；2.河南中原特钢装备制造有限公司技术中心，河南 济源459000)

防爆电机的主轴锻件主要由45A钢锻造而成。由于防爆电机对安全系数的要求极高，因而作为其核心零件的电机主轴必须具有良好的综合机械性能，且必须有明显的屈服点。当电机主轴锻件试样在拉伸性能测试中无明显屈服现象时，则判定其不合格。本文对有屈服现象和无屈服现象的试样钢锻件进行性能测试和对比分析，探讨不合格轴锻件无屈服现象的成因，并提出工艺改进措施，旨在对防爆电机主轴锻件的生产优化提供理论基础。

1 试验材料及方法

45A钢电机主轴锻件的生产工艺流程为：60 t EAF电弧炉冶炼→60 t LF钢包精炼→60 t VD真空脱气→氩气保护模铸钢锭→钢锭红送→加热→3 150 t油压机锻造开坯→1 800 t 径向锻造机成型→正回火-检验、探伤→下料、切片理化检测→入库。

在有屈服现象的合格电机主轴锻件中选2个典型代表样，即1#，2#样；在无屈服现象的不合格电机主轴锻件中选2个典型代表样，即3#，4#样。锻件尺寸自印记端起为：φ240 mm×380 mm +φ350 mm×2 515 mm +φ290 mm×805 mm，2倍尺锻造成型，且2支锻件非印记端相连，退火后锯切成2件。

2 试验结果

2.1 力学性能测试

根据《交、直流电机轴锻件技术条件》(JB/T 1271—2002)：φ<250 mm时，取皮下1/3R处纵向试样；φ≥250 mm时，取皮下1/3R处切向试样。分别检测炉锭号E1601229-5-1与E1601229-5-2两端的性能。试样钢的力学性能检测结果见表1。

由表1可以看出，不合格电机轴锻件的检测结果均比合格锻件的检测结果偏低。这是因为试样的检测方向不一致。1#试样的强度值比2#试样的强度略低，前者的延伸、断面收缩率及冲击功比后者略高，表明其塑性更好。4#试样的强度比3#试样的强度略低，延伸、断面收缩率比后者略高，冲击较前者低。这说明，试样的缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形或断裂，冲击功越小，表现出来的脆性越高。

表1 试样钢的力学性能检测结果

2.2 化学成分检测

分析4#试样的拉伸试样(编号4#-B)和冲击试样(编号4#-A)以及2#试样的冲击试样(编号2#-A)的化学成分(见表2)。由表2可以看出，与《交、直流电机轴锻件技术条件》(JB/T 1271—2002)中的相关值对比，各试样的化学成分检测值均在标准要求范围内，但无屈服现象的试样中碳含量偏高。

表2 试样的化学成分 %

2.3 夹杂物评级

将4#-B拉伸试样、4#-A冲击试样、2#-A冲击试样纵向磨制抛光，在显微镜下观察非金属夹杂物情况，并按照《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》(GB/T 10561—2005)进行评级。非金属夹杂物的检验结果见表3。由表3可知，3组试样的夹杂物大多处于0～0.5级，都处于较好的水平，非金属夹杂物的级别最高为2级，无异常夹杂物存在。

表3 非金属夹杂物的检验结果

2.4 显微组织观察

用不同粒度的砂纸和抛光膏将试样打磨抛光后，截取成金相试样，再用4%硝酸酒精溶液腐蚀，采用金相显微镜(莱卡，DMILM型)观察其组织形貌。试样的组织形貌图如图1所示。从图1可观察到，图1(a)和(b)中2#-A试样有轻微带状偏析，冲击缺口与带状方向垂直，为纵向冲击；图1(c)和(d)中4#-A试样的冲击缺口与带状方向平行；图1(e)和(f)为2#试样的拉伸试样(2#-B)的显微组织。

(a) 2#-A(100×) (b) 2#-A(500×) (c) 4#-A(100×) (d) 4#-A(500×)

3 讨论与分析

由图1可以知，2#-A冲击试样和2#-B拉伸试样的金相组织主要为铁素体(灰白部分)+珠光体(黑色部分)组成。通过对比发现， 4#-A冲击试样和4#-B拉伸试样的显微组织中，除了常规的铁素体和珠光体，还存在部分贝氏体(如图中红框部分)组织。室温下，铁素体组织的晶体结构是体心立方晶格，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，其强度和硬度要高于铁素体组织。贝氏体是介于扩散性珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间的一种中间转变产物，其强度、硬度高于珠光体。4#-B试样拉伸断口的形貌图如图2所示。观察图2可知，断口有大量韧窝存在，属塑性断口，断口中未发现异常形貌。

图2 4#-B试样拉伸出口的形貌图

金属塑性变形[1-2]是位错运动的结果。屈服现象是位错与溶质原子的交互作用在力学性能上的强烈反应。钢材在受力前，位错受到强烈钉扎，位错密度较小。为了让材料按一定的速度进行变形，就要有较高的位错运动速度，这就要求外力不断增加。但是，当有外力作用时，位错就会大量脱钉和增殖，位错密度就会陡然增加，而应变速率基本恒定。因此，必须减少外应力才能使位错运动速度降低[3]；而当运动位错密度增加时，受力时位错之间的相互作用强烈，应变硬化的行为突出[4-6]。当45A钢中贝氏体含量增多时，由于贝氏体的亚结构是位错，所以含贝氏体较多的4#试样钢屈服现象不明显。

综合对比不同试样的力学性能及显微组织可知，C原子没有得到足够扩散，产生半扩散型贝氏体相变，而贝氏体的亚结构是位错，钢中固溶的C等原子与位错形成气团，从而“可动”位错密度较高导致4#试样无屈服现象。同时，当钢中贝氏体含量较高时，强化作用较大，应变硬化的行为突出，易造成钢材的屈服点不明显[7]。因此，含部分贝氏体组织的4#试样无屈服现象产生。

造成45A钢工件屈服强度存在明显差别的直接原因应是热处理的冷却控制不当，使钢材组织中的贝氏体含量增加。因此，对45A钢无屈服工件进行850 ℃淬火油冷后，再进行240 ℃条件下低温回火处理，或将锻件放置自然时效以使C原子进行充分扩散，从而抑制45A钢组织中贝氏体的含量，可使其拉伸曲线上又出现明显屈服点。

4 结论

45A电机主轴锻件试样无屈服现象的主要原因是由于热处理的冷却控制不当，造成组织中贝氏体含量的增加。对45A钢无屈服试料进行850 ℃淬火+240 ℃低温回火处理或自然时效处理时，能够抑制45A钢组织中贝氏体的含量，出现明显屈服点。