20CrMnTiH傳動軸斷裂原因分析及其改進措施

吳玉軍，劉學猛，李建彩

（山東鋼鐵萊蕪鋼鐵集團有限公司 設備檢修中心，山東 萊蕪 271104）

0 引 言

20CrMnTiH 作為一種常見滲碳用鋼，因其既具有足夠高的表面硬度、耐磨性和抗疲勞性，又具有較強的心部韌性，被廣泛用于汽車、冶金機械設備零部件的制造。某鋼鐵公司為上海某知名汽車公司供應的20CrMnTiH 鋼材，經過加工制作成汽車傳動軸并經滲碳熱處理后，進行破壞性檢測時，在低于校驗載荷的狀態下發生斷裂現象。針對出現的問題，售后服務團隊為此立即展開了質量調查和技術分析與服務。

1 試驗研究

1.1 化學成分檢測

化學成分分析結果如表1 所示。檢測結果符合GB/T3077-1999 的要求。

表1 化學成分分析結果 %

1.2 硬度檢測

在齒輪軸斷口附件50 mm 內，取截面試樣2 件，分別檢測試樣的表層硬度以及半徑1/2 處硬度。硬度檢驗用hr-150a 型洛氏硬度計進行檢測，結果見表2。

表2 硬度檢測結果 HRC

由表2 可知，表面硬度符合60~62 HRC 的技術要求，而半徑1/2 處硬度則小于35~38 HRC 的技術要求。

1.3 金相檢測

把前述用于硬度檢測的2 件試樣分別制成邊緣試樣和心部試樣，在100 倍下檢測夾雜物、在500倍下檢測顯微組織。1.3.1 夾雜物檢測

4 件試樣均未發現超級別的夾雜物存在。

1.3.2 顯微組織檢測

由圖1、圖2 可以看出，工件經過滲碳處理以及淬火+低溫回火處理后，表面獲得隱針狀低溫回火馬氏體組織。心部主體組織是板條狀低溫回火馬氏體組織，還有較多量塊狀先共析鐵素體存在。而“直齒輪和錐齒輪承載能力計算”（GB/T3480.5-2008）中規定，MQ、ME 級材料中不允許心部存在塊狀鐵素體。塊狀鐵素體通常具有不規則邊界，是不穩定的鐵素體組織。也正是塊狀先共析鐵素體的存在，較大地降低了傳動軸的抗拉強度，由此，產生傳動軸在低于校驗載荷的狀態下發生斷裂的現象。

圖1 試樣1、2 邊緣組織

圖2 試樣1、2 心部組織

2 先共析鐵素體的成因及影響分析

先共析鐵素體，是滲碳鋼在雙相區（Ac1、Ac3）內淬火時，低于共析成分的奧氏體，在發生共析相變（共析轉變）之前析出的鐵素體，轉變溫度約為770～680 ℃。一般情況下，呈細條狀分布在奧氏體晶界，有時也呈塊狀。

20CrMnTiH 鋼的Ac1為735℃、Ac3為840℃20CrMnTiH鋼在740～770 ℃淬火時，鋼中將析出大量塊狀鐵素體，此時，抗拉強度和屈服強度約為670 MPa 和490 MPa。在此區間，隨著淬火溫度升高，塊狀鐵素體含量降低，此時，抗拉強度提升明顯，而屈服強度變化不明顯。20CrMnTiH 鋼在760～830 ℃淬火，淬火溫度越高，塊狀鐵素體將逐漸消失，最終轉變為細片狀。此時，抗拉強度和屈服強度同步提升較明顯。20CrMnTiH 鋼在接近其上臨界點Ac3淬火時，其淬火后組織中鐵素體含量幾乎觀察不到。當淬火溫度繼續提升，組織晶粒將變得粗大，強度和塑性會顯著下降。

由以上分析可判定：傳動軸在滲碳后淬火時，淬火溫度過低，至少低于840 ℃，導致塊狀先共析鐵素體的形成，從而影響了傳動軸的強度，最終出現傳動軸在低于校驗載荷的狀態下發生斷裂的現象。

3 改進措施

通常，諸多熱處理廠家為了降低生產成本，提高生產效率，在滲碳熱處理時多采用滲碳后直接淬火的方式生產。而20CrMnTiH 鋼在Ac1~Ac3雙相區內淬火時，會有先共析鐵素體析出，而經過Ac3提高到滲碳溫度930 ℃淬火，晶粒將會粗大，為此，應將淬火溫度控制在840～860 ℃為宜。建議在滲碳處理的擴散階段結束后，將爐溫降至840～860 ℃并均溫30 min，之后出爐淬火。

4 結 論

1）)20CrMnTiH 傳動軸在雙相區內淬火，組織中會析出塊狀先共析鐵素體，影響工件的機械性能，導致傳動軸在低于校驗載荷的狀態下發生斷裂。

2）20CrMnTiH 傳動軸淬火溫度超過840 ℃后，若繼續提高淬火溫度，其抗拉強度、表面硬度和塑性將明顯下降。

3）0CrMnTiH 傳動軸在840~860 ℃淬火，其抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度都將達到最大。

［1］ 田紹敏．鋼的化學成分及熱處理參數手冊［M］．北京：能源出版社，1988．

［2］ 王書艷．滲碳齒輪心部鐵素體對性能影響的分析［J］．研究與開發，2010（6）：63-64．

［3］ 張文勇，陳亞維．鋼的鐵素體組織分類［J］．鄭州紡織工學院學報，1992，3（2）：33-37．

（編輯 啟 迪）