锥套锻件内孔开裂原因分析与工艺优化

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321 ～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，ReL≥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、N ≤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。