45鋼齒條裂紋原因分析

趙賀楠， 劉年富

（寶鋼特鋼韶關有限公司， 廣東 韶關 512123）

45鋼齒條裂紋原因分析

趙賀楠， 劉年富

（寶鋼特鋼韶關有限公司， 廣東 韶關 512123）

采用ARL3460直讀光譜儀、金相顯微鏡和掃描電鏡及能譜儀對45圓鋼齒條裂紋樣進行分析。由化學成分及組織分析結果表明，齒條裂紋屬于沿原奧氏體晶界形成的沿晶裂紋，是在加工熱處理過程中由于淬火工藝不當產生的淬火內應力過大而形成的沿晶裂紋。由此得出結論：要生產質量合格的齒條，應合理地控制好淬火溫度并嚴格控制好保溫時間和冷卻速度。

齒條 淬火 內應力 沿晶裂紋

45鋼被廣泛用于汽車、建筑、造船、石化、機械、航天等領域，是應用最廣泛的機械零件加工材料。45鋼是常用于制造齒條的一種優質碳素結構鋼，具有較高的強度、一定的塑韌性，切削加工性能良好，經過調質處理后可獲得較好的綜合力學性能。然而，在實際生產過程中，由于各種因素的影響，使得45鋼零件經淬火后，容易產生不同程度的淬火裂紋［1］。

某公司在用45圓鋼加工齒條時發現裂紋，如圖1所示。齒條生產流程為：原材料驗收—軋頭—拋丸—冷拉—切頭—調質—矯直—長磨—滾光—下料—鉆深孔—車兩端內外形—車雙槽—鉆孔—攻兩端螺紋。為了找出裂紋產生的原因，采用光譜、金相顯微鏡和掃描電鏡及能譜儀對裂紋樣進行了檢驗和分析。

1 檢驗結果

1.1 宏觀形貌

齒條裂紋宏觀形貌如圖1所示，裂紋產生在齒條的齒根部位，沿軸向分布，如圖1-2所示。在齒條的裂紋處橫向取樣，其裂紋形貌如圖1-1所示，對試樣的裂紋處進行化學成分及組織等分析。

圖1 齒條裂紋形貌

1.2 化學成分

使用ARL3460直讀光譜儀對試樣的裂紋附近位置進行光譜檢測，化學成分見表1。

表1 45鋼化學成分 %

由表1中的檢測數據可以看出，該45鋼齒條的材質符合國家標準的成分要求，特別是有害雜質元素硫和磷的含量沒有超標，在正常使用狀態下不會造成材料的脆性增大［2］。成分分析結果表明，試樣裂紋開裂處無成分異常。

1.3 高倍組織分析

該齒條裂紋沿軸向分布。在齒條的裂紋處取樣，對橫截面進行組織分析，其組織見下頁圖2。

試樣經拋光后在顯微鏡下橫向觀察，如圖2-1、2-2所示，發現該裂紋彎曲并向內延伸，裂紋內及附近無夾雜物存在。試樣經腐蝕后，在顯微鏡下觀察其金相組織，如圖2-3、2-4所示，裂紋處組織與基體組織一致，未見脫碳現象，其基體組織為回火索氏體。

將齒條產生的裂紋金相組織形成全形貌圖，如下頁圖3所示。由圖3可以看出，鋼材表面位置（齒根位置）裂紋開口較寬，鋼材心部位置裂紋呈尖狀。

1.4 斷口形貌

該齒條裂紋沿軸向分布，由表面向內部發展。在裂紋處進行橫向取樣，將試樣沿裂紋處人工打斷，試樣斷口的顏色呈暗灰色。經掃描電鏡分析，發現原始裂紋斷口形貌為冰糖狀斷口，均發生在齒根底部（即橫截面上最薄弱的部位），是典型的脆性沿晶斷裂特征，如圖4-1所示。而人為打斷處試樣斷口形貌為正常的韌窩，是塑性斷裂，如圖4-2所示。

圖2 齒條裂紋處高倍組織

圖3 齒條裂紋全貌圖

圖4 試樣斷口形貌

1.5 能譜分析

對齒條試樣裂紋處的組織進行能譜分析，見圖5。能譜分析表明裂紋處主要成分為C、Mn、Fe，為圓鋼基體的成分，未發現其他異常元素。分析結果表明，齒條的材質未見異常。

2 分析與討論

當金屬或合金材料的晶界為顯微組織中最薄弱部分的時候，會發生沿晶斷裂。沿晶斷口又分為脆性沿晶斷口和韌性沿晶斷口。韌性沿晶斷裂是指由于優先沿晶界成核和連續的顯微韌窩所造成的在斷口上可觀察到的沿晶界分布的顯微韌窩。韌性沿晶斷裂的過程發生較大的塑性變形，與韌性斷裂很相似。脆性沿晶斷裂是由于在晶界上形成脆性相、回火脆性、淬裂等原因產生的，這種過程沒有明顯的塑性形變，斷口顯示出“冰糖”、“綢緞狀”、“石狀”等微觀特征［3］。如果熱處理工藝（淬火溫度865℃、回火溫度560℃）不當，造成淬火內應力過大，使得晶界被弱化成為裂紋擴展的優先通道，材料就會發生沿晶斷裂。由缺陷試樣的斷口（如圖4-1所示）上出現的沿晶裂紋及熱處理工藝可以判定該裂紋缺陷屬于淬火內應力過大引起的沿原奧氏體晶界形成的沿晶裂紋。

圖5 原始裂紋斷口形貌及能譜

3 結論

1）成分、組織、斷口形貌及能譜分析結果表明，齒條的材質未見異常，說明材質狀況良好。

2）分析結果表明，裂紋屬于沿原奧氏體晶界形成的沿晶裂紋，是由于淬火內應力過大引起的淬火裂紋。應合理地控制好淬火溫度并嚴格控制好保溫時間和冷卻速度。

［1］ 李鵬志，齊紅梅.45鋼軸類零件淬火裂紋形成原因及預防措施［J］.河北工業科技，2008，25（3）：153-155.

［2］ 高為國.機械工程材料［M］.長沙：中南大學出版社，2011：125.

［3］ 姜錫山，趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010：52.

（編輯：胡玉香）Crack Analysis for Racks of Grade 45

ZHAO Henan，LIU Nianfu
（Baosteel Special Steel Shaoguan Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512123）

Racks of grade 45 in production were analyzed by ARL3460 direct-reading spectrometer、metallographic microscope、SEM and EDS.The analysis of chemical composition and organization shows that rack crack is intergranular crack.Crack is caused by excessive internal stress in heating process.The results show that controlling hardening heat reasonably，soaking time and cooling speed can product racks with better quality.

rack，quenching，internal stress，intergranular crack

TG115.21

A

1672-1152（2016）05-0019-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.07

2016-08-15

趙賀楠（1989—），女，畢業于遼寧科技大學，工學碩士，特鋼產品工程師。