42CrMo鋼長(zhǎng)軸感應(yīng)淬火裂紋原因分析

陳步超，宋翊，劉海明，陳露，王致遠(yuǎn)，牛宗冉，鞠玉琳，袁志鐘

江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

1 序言

42CrMo鋼是常用的調(diào)質(zhì)鋼，具有較好的強(qiáng)韌性、出色的淬透性和較小的淬火形變，調(diào)質(zhì)處理后的組織為細(xì)小均勻的回火索氏體，因此綜合力學(xué)性能良好，且具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能[1]，廣泛應(yīng)用于主軸[2，3]、齒輪[4]和螺栓[5，6]等零部件。但在實(shí)際制造和應(yīng)用的過程中，42CrMo鋼難免會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中[5，7-10]、夾雜物聚集[11-13]、交變應(yīng)力[6，14]以及熱處理不當(dāng)[4，15-18]等原因?qū)е铝慵a(chǎn)生裂紋，甚至斷裂失效。本文對(duì)某型號(hào)調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo鋼長(zhǎng)軸在感應(yīng)淬火和低溫回火后的表面裂紋進(jìn)行了失效分析。

2 試驗(yàn)材料及方法

該棒材單個(gè)班次400根，開裂超過40根，試驗(yàn)件為從開裂比較明顯的單根上取樣。由于原材料為單個(gè)供應(yīng)商，且工藝控制比較嚴(yán)格，所以單根取樣具有代表性。試驗(yàn)測(cè)試和分析了同批次的42CrMo鋼毛坯棒料與開裂軸，前者為調(diào)質(zhì)態(tài)，后者的加工流程為：毛坯棒料→機(jī)械加工→感應(yīng)淬火→低溫回火→無損檢測(cè)。在磁粉檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)了裂紋。采用賽默飛ARL直讀光譜儀檢測(cè)開裂軸的化學(xué)成分；利用DMI8C金相顯微鏡觀察毛坯棒料和開裂軸的微觀組織，依據(jù)GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》和GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)毛坯棒料金相組織和平均晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)，依據(jù)ASTM E45—2018a《鋼中夾雜物含量的測(cè)定-標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》（中文版）對(duì)毛坯棒料夾雜物含量進(jìn)行判定，依據(jù)JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》對(duì)感應(yīng)淬火開裂軸橫截面的淬硬層和心部進(jìn)行組織分析和晶粒度的評(píng)級(jí)；利用Phenom XL掃描電子顯微鏡（SEM）以及能譜（EDS）分析了裂紋和夾雜物的微觀形貌以及夾雜物的成分，在EDS成分測(cè)定過程中，分別檢測(cè)夾雜物和基體的含量，通過對(duì)比來確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬維氏硬度試驗(yàn)》、GB/T 230.1—2018《金屬洛氏硬度試驗(yàn)》和GB/T 5617—2005《感應(yīng)淬火有效淬硬層深測(cè)定》等要求，采用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)和HVS-1000型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)經(jīng)過感應(yīng)淬火和回火處理的硬度與淬硬層深度進(jìn)行測(cè)量。

3 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

3.1 宏觀形貌

圖1所示為42CrMo鋼長(zhǎng)軸開裂軸磁粉檢測(cè)代表性影像，可見裂紋產(chǎn)生于軸徑變化處，沿軸向分布，宏觀長(zhǎng)度在5mm以內(nèi)，同批次的開裂軸裂紋位置均在同一區(qū)域。圖2所示為軸變處的橫截面超景深圖像，測(cè)量得知裂紋深度最長(zhǎng)為762.12μm。圖3所示為長(zhǎng)軸的結(jié)構(gòu)，其中紅框區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)生裂紋處，Ⅰ～Ⅳ為感應(yīng)淬火和回火后表面硬度與淬硬層深度的檢測(cè)位置。

圖1 42CrMo鋼長(zhǎng)軸磁粉檢測(cè)影像

圖2 42CrMo鋼長(zhǎng)軸橫截面超景深圖像

圖3 長(zhǎng)軸結(jié)構(gòu)與裂紋位置示意

3.2 化學(xué)成分

利用賽默飛ARL直讀光譜儀對(duì)開裂軸化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1。從表1可看出，該材料符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中關(guān)于42CrMo鋼化學(xué)成分的要求。

表1 42CrMo鋼長(zhǎng)軸的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3.3 毛坯棒料微觀組織及非金屬夾雜物

由于該軸在最終熱處理之前是調(diào)質(zhì)態(tài)，所以對(duì)其毛坯棒料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。毛坯棒料縱截面的金相組織如圖4所示，為回火索氏體+少量鐵素體的混合組織，屬于正常的調(diào)質(zhì)態(tài)組織，依據(jù)GB/T 13320—2007可以評(píng)定為2級(jí)；毛坯棒料晶界深腐蝕組織如圖5所示，依據(jù)GB/T 6394—2017評(píng)定，平均晶粒度為7.5級(jí)。調(diào)質(zhì)組織評(píng)級(jí)和晶粒度評(píng)級(jí)的結(jié)果都符合企業(yè)的技術(shù)要求（分別為不高于5級(jí)以及5～8級(jí)范圍內(nèi)）。夾雜物的金相組織如圖6所示。

圖4 毛坯棒料縱截面的金相組織

圖5 毛坯棒料晶界深腐蝕組織

圖6 夾雜物的金相組織

依據(jù)ASTM E45—2018a Method A對(duì)夾雜物含量進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果見表2。從表2可看出，四大類夾雜物的評(píng)級(jí)均符合企業(yè)的技術(shù)要求，只是長(zhǎng)條狀A(yù)類硫化物與球狀D類氧化物均處于公司技術(shù)要求的上限。

表2 毛坯的非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果 （mm）

毛坯棒料縱截面夾雜物的EDS測(cè)試結(jié)果如圖7～圖9所示。發(fā)現(xiàn)原材料基體中含有Fe的氧化物和碳化物、Al2O3和MnS等夾雜物，其中Fe的氧化物和碳化物尺寸超過5μm，Al2O3和MnS的夾雜物尺寸都是5μm左右。再將毛坯棒料沿徑向分別向中心研磨1mm和2mm，打磨拋光重復(fù)上述試驗(yàn)，也觀察到與上述類似的結(jié)果，表明其夾雜物在徑向方向上分布比較均勻，并沒有富集在表層。

圖7 毛坯棒料縱截面Fe的氧化物和碳化物

圖8 毛坯棒料縱截面Al2O3夾雜物

圖9 毛坯棒料縱截面MnS夾雜物

3.4 硬度

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，42CrMo鋼長(zhǎng)軸在感應(yīng)淬火后的表面硬度應(yīng)為55～60HRC，因此從長(zhǎng)軸表面選取4個(gè)不同位置（見圖3）進(jìn)行硬度檢測(cè)，Ⅰ～Ⅳ處的檢測(cè)結(jié)果分別為58.1HRC、59.4HRC、59.5HRC和61.3HRC，平均值為59.6HRC，符合技術(shù)要求。經(jīng)過臺(tái)車爐低溫回火后，再次測(cè)量Ⅰ～Ⅳ處的硬度值為56.6HRC、57.6HRC、57.9HRC和58.5HRC，平均值為57.7 HRC，滿足54～60HRC的最終硬度要求。硬度數(shù)據(jù)顯示，Ⅰ（大直徑）處的硬度總是低于Ⅱ（小直徑）處的硬度，同時(shí)經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)Ⅰ處經(jīng)感應(yīng)淬火后的淬硬層深度為6.20mm，而Ⅱ處的淬硬層深度只有5.50mm，由棒料Ⅰ處的直徑為50mm而Ⅱ處的直徑為42mm推測(cè)，造成Ⅰ處硬度下降與淬硬層加深是因感應(yīng)淬火過程中棒料直徑發(fā)生變化而引起的。當(dāng)軸的直徑變大時(shí)，試樣更靠近感應(yīng)器，在感應(yīng)器的功率、移動(dòng)速率不變的情況下，會(huì)造成溫度偏高、淬火層深度增大的現(xiàn)象。

3.5 開裂軸的微觀組織

圖10a所示為淬硬層橫截面的金相組織，可見該區(qū)域的晶粒異常粗大，按JB/T9204—2008對(duì)其進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，計(jì)算可知晶粒平均面積為0.00846mm2，因此評(píng)為2級(jí)，而企業(yè)技術(shù)要求為3～7級(jí)，因此表層淬硬層晶粒度評(píng)級(jí)不合格。圖10b所示為感應(yīng)熱處理件心部橫截面金相組織，不難發(fā)現(xiàn)其與圖5毛坯件的平均晶粒度相同，為正常的調(diào)質(zhì)態(tài)，因此心部的晶粒度評(píng)級(jí)結(jié)果符合技術(shù)要求。

圖11所示為淬硬層裂紋的橫截面金相組織，三幅圖片中的裂紋的都呈現(xiàn)聚集在表層區(qū)域的特征，部分裂紋在表面以下，有些裂紋貫穿表面，值得注意的是，所有的裂紋均呈現(xiàn)沿晶擴(kuò)展的特點(diǎn)。另外，從圖11a、b可明顯看出，部分裂紋內(nèi)壁有燒損形貌，且裂紋最寬處超過20μm。對(duì)裂紋進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如圖12所示，可見裂紋內(nèi)壁主要是Fe的氧化物和碳化物，其中氧化物居多且分布集中，碳化物較少且分散。

圖11 開裂軸橫截面近表面區(qū)域裂紋的顯微金相組織

圖12 開裂軸橫截面裂紋（未腐蝕）的微觀形貌及EDS

4 分析與討論

上述檢測(cè)結(jié)果表明，42CrMo鋼長(zhǎng)軸的化學(xué)成分和硬度均符合技術(shù)要求，且原材料調(diào)質(zhì)組織、夾雜物的評(píng)級(jí)都合格；從裂紋出現(xiàn)的位置來看，裂紋聚集在淬硬層區(qū)域，而心部無裂紋，且裂紋的位置固定在軸變處，如果感應(yīng)淬火工藝參數(shù)不變的情況下，則該區(qū)域容易出現(xiàn)尖角效應(yīng)，也容易出現(xiàn)大直徑區(qū)域容易過熱的現(xiàn)象；從淬硬層的微觀組織來看，晶粒異常粗大，與心部組織形成鮮明對(duì)比，且晶界出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，具備過燒的特征；從裂紋的形貌來看，裂紋部分燒損，最寬處超過20μm，裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)沿晶特征，沒有發(fā)現(xiàn)沿夾雜物開裂現(xiàn)象；從裂紋的成分來看，裂紋內(nèi)壁氧化嚴(yán)重；從硬度數(shù)據(jù)來看，開裂軸直徑較大區(qū)域的硬度值偏低于直徑較小區(qū)域，且淬硬層更厚，這也可以從側(cè)面證明直徑大的區(qū)域出現(xiàn)淬火加熱溫度過高的問題。綜合以上數(shù)據(jù)，可以判定裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)楦袘?yīng)加熱工藝參數(shù)設(shè)定不合格，造成在軸直徑由小變大的區(qū)域溫度過高、保溫時(shí)間過長(zhǎng)、冷卻偏慢，從而導(dǎo)致晶粒粗大且部分晶界熔化，從而出現(xiàn)沿晶開裂。

5 結(jié)束語

1）42CrMo鋼長(zhǎng)軸在感應(yīng)淬火時(shí)，由于溫度過高、保溫時(shí)間過長(zhǎng)，因此導(dǎo)致在軸徑變化處淬硬層晶粒粗大、部分晶界熔化，最終導(dǎo)致在淬火過程中產(chǎn)生沿晶裂紋，這是導(dǎo)致長(zhǎng)軸開裂的主要原因。

2）建議廠家調(diào)整淬火工藝，在保證硬度、淬硬層深度的前提下，降低直徑增大區(qū)域的淬火加熱溫度、縮短保溫時(shí)間并及時(shí)淬火。