2Cr13材质的洗衣机轴套断裂原因分析及防止措施

特钢技术 Special Steel Techonlogy 第17卷 总第68期 2011年第3期 Vol.17(68) 2011.No.3 1 质量问题现状 2Cr13圆钢在加工轴套的过程中，轴套凸轮处 断裂，更为严重的是：某公司在洗衣机加载试验的 过程中轴套凸轮处断裂20多件，缺陷零件见下图1。 2 轴套的加工及调质工艺 2.1 轴套的加工工艺流程 φ28 mm圆钢轻拉到φ27.5 mm，锯成长度约为 60 mm的短料，平头、端部打定心孔，退火、磷化，打 定心孔端部冲压成孔，翻面压凸轮，轴套淬火、回 火，机加工为成品。 2.2 轴套的调质工艺 淬火炉是一连续炉，有3个测温点。用户现场 的当时生产情况是：第一、二测温点温度为920 ℃， 第三测温点850 ℃，轴套从进炉到出炉1h，轴套出 炉后油冷；紧接着回火，其工艺是：回火炉是一连续 炉，也有3个测温点，第一测温点温度630 ℃，第二、 三测温点720 ℃，轴套从进炉到出炉90 min，轴套出 炉后空冷。 3 试验及检验结果 好的轴套编为1#试样，断裂的编为2#试样(见 图2和图3)，两个试样分别检验化学成分、夹杂、组 织，其结果对比如下： 3.1 化学成分 1#、2#试样化学成分结果见下1。 􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀦋􀤋􀤋􀦋 􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀦋 􀤋􀤋 􀦋 工艺研究与生产实践 2Cr13材质的洗衣机轴套断裂原因分析及防止措施 彭声通 陶刚 肖彬 胡进 (攀钢集团江油长城特殊钢有限公司四川江油 621701) 摘要：通过对质量良好的和断裂的洗衣机轴套的化学成分、夹杂、金相组织对比检验分析，找出了洗衣机波轮轴 套断裂原因，根据分析的结果，制订了防止轴套断裂的措施。 关键词：洗衣机波轮上轴套；2Cr13；金相组织 中图分类号：TG142.1 文献标识码：B 文章编号：1674-0971（2011）03-021-04 Analysis on Reasons for Fracturing of Axle Sleeve of Washing Machine Made from 2Cr13 Steel and Its Prevention Measures Peng Shentong, Tao Gang, Xiao Bin, Hu Jin (Sichuan Changcheng Special Steel Co., Ltd., Pangang Group) Abstract: By analyzing and comparing the chemical compositions, inclusions, metallographic structures of both high quality and fractured axle sleeve of mashing machine, this article found out the reason that caused the fracturing of axle sleeve of mashing machine. According to the aboved mentioned results, relative measures were taken to prevent it from fracturing. Keywords: Axle sleeve of wheel of washing machine , 2Cr13, Metallographic structure 图1 轴套凸轮处断裂照片 Fig.1 The location of cam fracturing on the axle sleeve 收件日期：2011-06-21 作者简介：彭声通，主任工程师，毕业于重庆大学化学冶金专业，现供职于攀钢集团江油长城特殊钢有限公司技术创新部，联系电话： 13308116732 特钢技术 第17卷第3期 3.2 夹杂物 1#、2#试样按GB/T10561进行夹杂物评级，其结 果见表2。 从表2可知：1#、2#试样的夹杂物均处于同一 水平，各类夹杂物级别均很低。 3.3 高倍组织 1#、2#试样检验组织，其结果见如下照片图4、 5、6、7、8。 图2 1#试样编号的照片 Fig.2 The photo of sample 1 图3 2#试样编号的照片 Fig.3 The photo of sample 2 编号 1# 2# C 0.19 0.24 Mn 0.37 0.37 Si 0.45 0.49 P 0.028 0.024 S 0.005 0.010 Cr 12.67 12.58 Ni 0.39 0.18 Cu 0.07 0.09 表1 1#、2#试样的化学成分 /% Table 1 The chemical composition of sample 1 and 2 编号 1# 2# A粗 0 0 A细 0.5 0.5 B粗 0 0 B细 1.0 0.5 C粗 0 0 C细 0 0 D粗 0.5 0.5 D细 0 0 表2 1#、2#试样的夹杂物级别 Table 2 Inclusion rating of sample 1 and 2 图4 1#横向组织照片（×500） Fig.4 Transverse structure of sample 1 图5 1#纵向组织照片（×500） Fig.5 Longitudinal structure of sample 1 图6 2#横向断裂缺陷处组织照片（×500） Fig.6 Structure of transverse rupture of sample 2 图7 2#横向异常处组织照片（×500）、 Fig.7 Abnormal transverse structure of sample 2 ·· 22 图8 2#纵向组织照片（×500） Fig.8 Long structure of sample 2 从1#试样的组织照片来看，钢的基体上碳化 物颗粒细小，且分布均匀；而2#试样的组织照片来 看，碳化物颗粒粗大并成串成网状分布，特别是已 经发生断裂处组织照片晶粒粗大更加明显，见图7 的2#横向断裂缺陷处的组织照片。 3.4 轴套断裂处高倍组织 从图9中可以看出，在轴套断口附近处未见夹 杂、氧化、脱碳现象，说明轴套在调质过程中没有产 生裂纹。 3.5 模拟轴套和按GB/T1220-2007的工艺热处 理后的性能对比 从同一根φ36 mm的圆钢上，取长度约200 mm 的试样2个，分别编为3#、4#，在3#试样上取样分析 化学成分，其结果见表3。 从表1和表3可知：主要影响上轴套脆性断裂 的化学成分P、S、Cu含量都比较低，并且（从表3可 知）这批2Cr13钢中的氧含量、五害元素含量均处于 较低水平；还有钢中的夹杂物级别B类细系最高也 仅有1.0级，这说明了这批的2Cr13钢的化学成分和 钢的纯净度是没有问题的。 上面3#、4#试样在实验室中加工成φ25 mm圆钢 后，其中3#试样按照GB/T1220-2007的规范工艺（淬 火工艺：980℃保温30 min后，油冷；回火工艺：750℃ 保温90 min后空冷）进行调质；4#试样模拟轴套热处 理的工艺（淬火工艺：850℃保温30 min后，油冷；回火 工艺：720℃保温90 min后空冷）进行调质；3#、4#试样 调质后，检验力学性能，其对比结果见表4。 从表4可知：4#试样模拟用户的热处理工艺的 屈服强度、抗拉强度均比 3# 试 样 按照 GB/ T1220-2007工艺要低。 4 讨论分析 从以上试验方案及检验结果分析来看，碳化物 粗大呈串、呈网状聚集分布于粗大晶粒的晶界是引 起2Cr13轴套断裂的主要原因，造成这种现象的影 响因素有以下几方面。 4.1 连铸坯碳化物偏析的影响 2Cr13 φ28 mm棒材使用连铸坯成材，连铸坯存 在成分偏析（特别是碳化物偏析）和连铸保护渣的不 均匀增碳可能在连铸坯凝固过程中形成颗粒粗大的 碳化物，对轴套断裂有一定影响。若轴套在较高的淬 火温度(950℃～980℃)和合适的保温时间的条件下， 粗大的一次碳化物是能够充分溶解。 4.2 退火温度局部偏高的影响 钢的局部过热组织，也有可能导致钢的晶粒粗 大。根据陕西省机械学院安运铮等教授研究2Cr13 调质后奥氏体粗晶遗传规律发现[1]：2Cr13高温回火 到550 ℃～600 ℃时，碳化物沿原粗大奥氏体晶界 显著析出，出现低倍粗晶，对钢的韧性和塑性不 利。如果轴套在合理的淬火温度和保温时间的条 件下，回火后，轴套是可以消除由坯料带来的粗大 晶粒。 图9 断口处高倍组织照片（×100） Fig .9 Microstructure of the fracture 编 号 3# C 0.19 O 0.0045 Mn 0.43 As 0.009 Si 0.58 Sn 0.011 P 0.026 Pb 0.0035 S 0.011 Bi 0.0035 Cr 12.50 Sb 0.0050 Ni 0.18 Cu 0.12 N 0.015 表3 3#试样的化学成分 /% Table 3 Chemical composition of sample 3 编 号 3# 4# 屈服 强度 Rp /Mpa 535 395 抗拉 强度 Rm /Mpa 725 635 断后 伸长率 A /% 24 28 冲击值 Aku /J 144 134 断面 收缩率 Z /% 68.5 69.5 布 式 硬 度 HB 219 198 表4 3#、4#试样调质后的力学性能 Table 4 Mechanical properties of sample 3 and 4 after quenching and tempering 2011年第3期 彭声通 陶刚 肖彬 胡进：2Cr13材质的洗衣机轴套断裂原因分析及防止措施 ·· 23 特钢技术 第17卷第3期 4.3 轴套的淬火温度偏低的影响 2Cr13 钢 的 AC3 为 850 ℃ ～870 ℃ ，GB/ T1220-2007 标准上推荐的淬火温度为 920 ℃～ 980 ℃，而用户使用850℃的温度淬火，轴套在加热 过程中未充分奥氏体化，有一部分粗大颗粒的一次 碳化物不能充分溶解，轴套回火后粗大颗粒的一次 碳化物和局部粗大晶粒仍残留于钢中，是导致轴套 断裂的主要原因。 3#、4#试样组织照片分别见图10、11，从组织照片 来看，按照GB/T1220-2007调质3#试样的组织略微比 模拟用户的工艺调质4#试样组织晶粒均匀细小。 4.4 轴套回火后铁筐收集的影响 马氏体不锈钢在260 ℃～650 ℃回火冷却缓慢 时，由于碳化物在晶析上大量析出并聚集,导致钢的 冲击韧性差（见图12）[2]。由于回火后轴套采用铁框 收集，轴套堆冷造成心部个别零件，相对于料框边 部的零件处于冷却速度慢，其碳化物在晶界析出和 聚集, 导致钢的冲击韧性差,从而使轴套在洗衣机加 载时断裂。 5 质量改进措施 （1）采取措施尽量减少200 mm连铸方坯碳偏 析和减小保护渣增碳的不均匀性。 （2）规范Cr13型不锈钢坯加热及圆钢的退火工 艺操作，避免钢的过热组织。 （3）建议将洗衣机轴套的淬火温度提高到950℃～ 980 ℃,回火冷却方式采用分散收集并吹风冷却。 6 结论 （1）轴套的淬火温度偏低(850 ℃),一次颗粒粗 大的碳化物不能充分溶解引起钢的晶粒粗大的过 热组织未能消除，造成钢的组织异常，是导致轴套 断裂的主要原因之一。 （2）轴套回火后采用铁框收集，造成铁筐的心 部个别零件的碳化物在晶界析出并聚集, 导致钢的 冲击韧性变差,是轴套在洗衣机加载时断裂的主要 原因之二。 参考文献 [1]安运铮常儒等.陕西机械学院学报1986年第1期 [2]唐纳德.皮克纳 I.M.伯恩斯坦.不锈钢.机械工业出版社. 图10 3#试样组织照片（×500） Fig.10 Structure of sample 3 图11 4#试样组织照片（×500） Fig.11 Structure of sample 4 图12 2Cr13钢的冲击韧性和回火温度的关系 Fig.12 The relation between the impact toughness and temper temperature ·· 24