샤프트 공작물의 열처리 균열 방지: 원인 분석 및 예방

1. 서문

42CrMo는 고강도 및 인성, 우수한 경화성, 성질 취성 부재 등 우수한 기계적 특성으로 잘 알려진 고강도 합금강입니다.

담금질 및 템퍼링 후 높은 피로 한계, 내충격성 및 우수한 저온 충격 인성을 나타내므로 강도와 인성이 모두 필요한 대형 및 중형 강재 부품 제조에 이상적입니다.

우리 회사는 대형 피벗을 제조하기 위해 42CrMo 강철을 선택했으며 제조 공정에는 블랭크 단조, 정규화, 황삭 가공, 담금질 및 템퍼링, 마감, 유도 경화 원, 연삭 원 등의 단계가 포함됩니다.

피벗 구조는 그림 1에 설명되어 있습니다.

그림 1 피벗 구조

2. 결함 부품 개요

담금질, 템퍼링 및 담금질 공정 중에 피벗 샤프트에 균열이 발생할 수 있습니다.

균열은 일반적으로 피벗 샤프트 루트와 플랜지 사이의 전이 아크 영역에 나타납니다.

전체 피벗 샤프트가 방사형 방향을 따라 끊어지고 빅 엔드 플랜지까지 확장됩니다.

피벗 샤프트가 완전히 갈라질 수 있습니다. 균열의 모양과 위치는 그림 2를 참조하세요.

그림 2 담금질, 템퍼링 및 담금질 후 균열 형태

그리고 담금질 및 템퍼링 이 작품은 840℃에서 3시간 동안 유지한 후 용광로에서 꺼낸 후 오일 냉각 담금질하는 과정을 거칩니다. 담금질 시간은 30분이며, Houghton K 오일이 사용됩니다. 담금질 오일.

이 제품의 여러 배치가 균열 없이 생산되었습니다.

균열의 원인을 분석하기 위해 빅 엔드 플랜지에서 균열이 발생한 공작물을 샘플링하여 화학 성분, 금속학적 구조 및 균열을 분석했습니다. 분석을 위해 플랜지 균열에서 샘플을 채취했습니다(그림 3 참조).

그림 3 플랜지에서의 샘플링

화학 성분 분석 결과는 표 1을 참조하세요.

표 1 화학 성분(질량 분율) 42CrMo 스틸 피벗(%)

금속학적 구조는 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4 균열 및 표면의 금속학적 구조

분석 결과 42CrMo 강철의 화학 성분이 기술 요구 사항을 충족하는 것으로 나타났습니다. 측정된 표면 경도는 296HBW로 필요한 범위인 277~331HBW에 속합니다. 금속학적 구조는 강화 소바이트이고 중앙 구조는 강화 소바이트+페라이트입니다.

공작물의 균열은 원호 모양이며 탈탄 균열의 양쪽에서 담금질 및 템퍼링 전에는 균열이 없었으며 다른 이상 징후가 관찰되지 않았음을 나타냅니다.

물리 및 화학 분석가들은 샘플을 바탕으로 담금질, 템퍼링, 담금질 중 과도한 응력이 균열의 원인으로 보고 있습니다.

그러나 조각의 크기와 샘플링의 어려움으로 인해 저자는 샘플 절단 위치가 균열 시작 지점이 아닌 균열 성장 영역일 수 있으며 추가 분석이 필요하다고 제안합니다.

균열 표면을 통해 균열원을 식별할 수 없으므로 공작물을 절단하여 균열원을 찾는 것이 좋습니다. 불꽃 또는 플라즈마 절단 파단 위치에 영향을 미칠 수 있으므로 결함이 있는 부품의 샤프트 전이 영역에서 균열 위치를 절단하는 와이어 절단을 권장합니다.

절단이 직경의 1/3에 도달하면 피벗 샤프트가 두 부분으로 나뉘어 균열의 원인을 추가로 분석할 수 있습니다.

3. 크랙 원인 분석

와이어 절단 후의 골절 형태는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5 전선 절단 후 균열 파단 위치

골절의 중심부는 갈색으로 나타나고 바깥쪽 부분은 정상적인 금속 착색을 보입니다. 중앙의 갈색 착색은 비정상적이며 산화로 인한 것일 수 있습니다.

분석 결과 담금질, 템퍼링 및 후속 단조, 정규화 및 담금질 공정 이전에 부품의 중앙에 균열이 존재했을 가능성이 높습니다. 이러한 과정에서 균열이 산화되어 갈색 변색으로 이어졌을 것입니다.

이 가설을 확인하기 위해 갈색 영역에서 샘플을 채취하여 분석했습니다. 샘플은 중앙에서 축 방향으로 절단되었습니다. 절단 후 가공한 결과, 그림 6과 같이 수많은 균열이 방사형으로 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었습니다.

그림 6 균열 파단 위치

샘플을 분석한 결과, 그림 7과 같이 명백한 밴드 구조(4등급)를 가지고 있는 것으로 나타났습니다.

그림 7 크랙 센터의 금속학적 구조

균열은 여러 개가 대략 평행하게 분포되어 있으며, 밴드 구조 방향을 따라 단조 방향에 수직으로 분포되어 있습니다.

저자는 피벗 샤프트의 담금질 및 템퍼링 과정 전에 균열이 존재했으며, 이러한 균열은 표면에 균열이 보이지 않고 중앙에 위치했다고 생각합니다.

담금질 및 템퍼링 과정에서 조직 및 열 응력의 영향으로 균열이 확장되었으며, 밴드 구조도 영향을 미쳤습니다.

이에 따라 단조 과정에서 단조 온도 부족, 불합리한 단조 비율 등의 문제가 있었는지 추가 분석이 필요합니다.

결함이 있는 부품이 시장에 유입되는 것을 방지하기 위해 공정 중인 제품을 철저히 조사했습니다.

모든 공정 중인 제품은 초음파 결함 탐지기를 사용하여 비파괴 검사(NDT)를 거쳤습니다.

조사 결과 비정상 제품 2개를 발견하고 생산 일련번호를 확인했습니다.

두 비정상 제품의 생산 일련 번호는 금이 간 부품이 포함된 위조 제품의 동일한 배치의 일부인 것으로 밝혀졌습니다.

초기 분석과 판단을 검증하기 위해 축 방향을 따라 발견된 이상 부품에 대해 와이어 절단을 실시했습니다.

절단 표면은 그림 8과 같이 단조 방향에 수직인 몇 가지 세부 균열의 존재를 명확하게 드러냈습니다.

그림 8 결함 부품의 절단면

추가 검증을 통해 단조 과정에서 균열이 발생한 것으로 판단했습니다.

4. 결론

1） 피벗 샤프트의 파손은 부품의 단조 과정에서 형성된 단조 균열에 직접적으로 기인할 수 있습니다. 이 균열은 담금질 및 템퍼링 중에 확장되었으며 밴드 구조의 존재도 균열의 성장에 기여했습니다.

2）결함 분석을 수행할 때는 균열의 원인을 신중하게 찾는 것이 중요합니다. 샘플링 위치가 다르면 분석 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 잘못된 방향을 피하기 위해 원인을 분석하고 원인을 파악하는 것이 필수적입니다.

3） 원자재 입고 검사를 강화하는 것은 불량 부품이 생산 공정에 유입되는 것을 방지하는 데 매우 중요합니다.