Prevenção de rachaduras por tratamento térmico em peças de eixo: análise de causas e prevenção

1. Preâmbulo

42CrMo é uma liga de aço de alta resistência conhecida por suas excelentes propriedades mecânicas, como alta resistência e tenacidade, boa temperabilidade e ausência de fragilidade por revenido.

Após têmpera e revenido, apresenta alto limite de fadiga, resistência ao impacto e boa tenacidade ao impacto em baixas temperaturas, tornando-o ideal para a fabricação de componentes de aço de grande e médio porte que exigem resistência e tenacidade.

Nossa empresa escolheu o aço 42CrMo para fabricar um grande pivô, e o processo de fabricação envolve as seguintes etapas: forjamento em branco, normalização, usinagem de desbaste, têmpera e revenido, acabamento, círculo de endurecimento por indução e círculo de retificação.

A estrutura pivô é ilustrada na Figura 1.

Fig. 1 Estrutura Pivotante

2. Visão geral das peças defeituosas

Podem ocorrer rachaduras no eixo pivô durante os processos de têmpera, revenimento e têmpera.

A trinca geralmente aparece na área do arco de transição entre a raiz do eixo pivô e o flange.

Todo o eixo pivô quebra ao longo da direção radial e se estende até o flange da extremidade grande.

O eixo pivô pode rachar completamente. Consulte a Fig. 2 para saber a forma e localização da fissura.

Fig. 2 Morfologia da fissura após têmpera, revenido e têmpera

O processo de têmpera e revenimento desta peça envolve mantê-la a 840 ℃ por 3 horas, seguida de têmpera por resfriamento de óleo assim que for retirada do forno. O tempo de têmpera é de 30 minutos e o óleo Houghton K é usado como óleo de têmpera.

Vários lotes deste produto foram produzidos sem rachaduras.

Para analisar as causas das trincas, uma peça trincada foi amostrada no flange da extremidade grande e sua composição química, estrutura metalográfica e trincas foram analisadas. Amostras foram retiradas da fissura do flange (consulte a Fig. 3) para análise.

Fig. 3 Amostragem no flange

Consulte a Tabela 1 para obter resultados de análise de composição química

Tabela 1 Composição Química (Fração de Massa) do Pivô de Aço 42CrMo (%)

A estrutura metalográfica é mostrada na Fig.

Fig. 4 Estrutura Metalográfica de Fissura e Superfície

Os resultados da análise indicam que a composição química do aço 42CrMo atende aos requisitos técnicos. A dureza superficial medida é 296HBW, que está dentro da faixa exigida de 277-331HBW. A estrutura metalográfica é sorbita temperada, e a estrutura central é sorbita+ferrita temperada.

A trinca da peça tem formato de arco e não há descarbonetação em nenhum dos lados da trinca, indicando que não houve trinca antes da têmpera e revenido, e nenhuma outra anormalidade foi observada.

Os analistas físicos e químicos atribuem a trinca ao estresse excessivo durante a têmpera, revenido e têmpera, com base na amostra.

No entanto, devido ao tamanho da peça e ao desafio da amostragem, o autor sugere que a posição de corte da amostra pode ser a área de crescimento da fissura e não o local de início da fissura, sendo necessária uma análise mais aprofundada.

Como a fonte da trinca não pode ser identificada através da superfície da fratura, propõe-se cortar a peça para localizar a fonte da trinca. O corte por chama ou plasma pode impactar o local da fratura, portanto, recomenda-se o corte com fio para cortar o local da trinca na zona de transição do eixo da peça defeituosa.

Quando o corte atinge 1/3 do diâmetro, o eixo pivô se divide em duas seções, possibilitando uma análise mais aprofundada da causa da trinca.

3. Análise das causas do crack

A morfologia da fratura após o corte do fio é mostrada na Fig.

Fig. 5 Posição da fratura após corte do fio

O centro da fratura parece marrom, enquanto a parte externa apresenta coloração metálica normal. A coloração marrom no centro é anormal e provavelmente causada por oxidação.

A análise indica que provavelmente existiam rachaduras no centro da peça antes da têmpera, revenido e subsequentes processos de forjamento, normalização e têmpera. As fissuras teriam sofrido oxidação durante esses processos, levando à descoloração marrom.

Para confirmar esta hipótese, uma amostra foi retirada da área marrom e analisada. A amostra foi cortada do centro na direção axial. Após o corte e processamento, descobriu-se que numerosas fissuras estavam distribuídas radialmente, conforme ilustrado na Figura 6.

Fig. 6 Localização da Fratura da Fissura

A análise da amostra mostra que a amostra possui uma estrutura em faixas óbvia (Grau 4), conforme mostrado na Fig.

Fig. 7 Estrutura Metalográfica do Centro da Fissura

As fissuras, que são múltiplas e aproximadamente paralelas, são distribuídas ao longo da direção da estrutura bandada e perpendiculares à direção do forjamento.

O autor acredita que existiam trincas presentes antes do processo de têmpera e revenido do eixo pivô, e essas trincas estavam localizadas no centro, sem trincas visíveis na superfície.

Durante o processo de têmpera e revenido, as fissuras se expandiram devido à influência do estresse organizacional e térmico, com a estrutura em faixas também desempenhando um papel importante.

Como resultado, é necessário realizar uma análise adicional para determinar se houve problemas como temperatura de forjamento insuficiente e taxa de forjamento irracional durante o processo de forjamento.

Para evitar a entrada de peças defeituosas no mercado, os produtos em processo foram minuciosamente investigados.

Todos os produtos em processo foram submetidos a testes NDT usando um detector ultrassônico de falhas.

Após investigação, dois produtos anormais foram descobertos e seus números de série de produção foram verificados.

Descobriu-se que os números de série de produção dos dois produtos anormais faziam parte do mesmo lote de produtos forjados que continha as peças rachadas.

Para validar a análise e julgamento iniciais, foi realizado corte de fio nas peças anormais encontradas ao longo da direção axial.

A superfície de corte revelou claramente a presença de diversas trincas detalhadas, perpendiculares à direção do forjamento, conforme ilustrado na Fig.

Fig. 8 Superfície de corte de peças defeituosas

Através de verificações adicionais, concluiu-se que a trinca foi gerada durante o forjamento.

4. Conclusão

1）A fratura do eixo pivô pode ser atribuída diretamente à trinca de forjamento formada durante o processo de forjamento da peça. Esta fissura expandiu-se durante a têmpera e o revenido, e a presença de uma estrutura em faixas também contribuiu para o seu crescimento.

2）Ao realizar a análise de falhas, é importante localizar cuidadosamente a origem da trinca. Diferentes locais de amostragem podem impactar significativamente os resultados da análise. Portanto, é essencial analisar e identificar a causa desde a fonte para evitar desvios.

3) Fortalecer a inspeção de entrada de matérias-primas é crucial para evitar que peças defeituosas entrem no processo de produção.