Φ130 mm機軸表層剝離狀開裂失效分析

李興會

(徐州技師學(xué)院，江蘇 徐州 221151)

Φ130mm機軸表層剝離狀開裂失效分析

李興會

(徐州技師學(xué)院，江蘇 徐州 221151)

Φ130 mm的45鋼機軸經(jīng)表面淬火、磨削加工后表面出現(xiàn)裂紋，對開裂的機軸取樣進行化學(xué)成分分析、硬度檢驗、金相顯微組織分析.結(jié)果表明：Φ130 mm機軸在鍛后調(diào)質(zhì)及表面淬火過程中表面形成不均勻組織而產(chǎn)生的應(yīng)力是產(chǎn)生剝離狀裂紋的主要原因.

45鋼；剝離裂紋；分析

某公司生產(chǎn)的Φ130 mm的機軸采用45鋼，其加工工藝過程為：鑄件-鍛造-(粗加工)-調(diào)質(zhì)-精加工-表面淬火-低溫回火-磨削.Φ130 mm機軸是在磨削后放置的過程中出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象，截取長50 mm～60 mm的樣品，開裂的宏觀形貌如圖1所示.開裂出現(xiàn)在表面很薄一層內(nèi)，厚度約0.3 mm～0.5 mm，裂紋平行于零件表面，且面積較大，從而導(dǎo)致開裂層沿軸向出現(xiàn)二次裂紋，甚至出現(xiàn)沿切向的三次裂紋，造成表面剝落.為確定機軸開裂的原因，開展了化學(xué)成分分析、硬度檢驗、金相顯微組織分析等研究工作，探究機軸裂紋產(chǎn)生的根本原因，為解決機軸失效問題提供依據(jù).

圖1 開裂的宏觀形貌

1 化學(xué)成分分析

采用光譜分析儀對有裂紋的Φ130 mm機軸取樣分析，其檢驗結(jié)果如表1所示.由表1看出，該機軸鋼材的化學(xué)成分符合GB699-88《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》中45鋼的技術(shù)要求.

表1 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

2 硬度檢驗

該機軸經(jīng)表面淬火后，其硬化層厚度約3 mm左右，如圖2所示，硬度檢驗結(jié)果見表2.

圖2 試樣截面照片(圓周白亮處即為硬化層)

位置表面淬硬層(心部距表面約20mm處)實測硬度值(HRC)55.6、56.4、55.6、51.511.1、13.3、12.2、10.2、13.0、12.8、11.8、12.5、12.0平均硬度值(HRC)54.812.1(≈192HB)

由表2可以看出，機軸經(jīng)過表面淬火后，材料的組織不同，表面和心部硬度差異較大.表面淬硬層的平均硬度值為HRC54.8，硬度偏高；心部硬度HRC12.1(距表面約20 mm)，換算成布氏硬度約為HB192，硬度偏低.

3 金相組織及分析

3.1 心部組織

根據(jù)資料介紹[1]33-55，對于Φ130 mm的大件，淬火冷卻時間應(yīng)該為：水淬3～4min、油淬15～25min，以保證心部冷卻到Ms點附近(約300℃左右).按照GB699-88的規(guī)定，一般不超過Φ200 mm的碳鋼(35鋼、45鋼、50鋼)調(diào)質(zhì)后的硬度可以達到HB240～280[2]13-1，退火后的硬度一般小于HB197(毛坯尺寸25 mm).而該機軸心部調(diào)質(zhì)后的硬度只有HB192，盡管尺寸上存在差別，但是調(diào)質(zhì)后的硬度比退火后的硬度還要低很多.在距表面10 mm～20 mm心部處取樣的金相組織如圖3所示.從圖3可以看出，機軸的顯微組織為珠光體+鐵素體，其中鐵素體呈較明顯的網(wǎng)狀分布，見圖3(a)，這是由于在鍛后調(diào)質(zhì)淬火冷卻過程中，冷卻速度過低、冷卻時間過短，從而導(dǎo)致先共析鐵素體沿晶界析出，形成網(wǎng)狀鐵素體，造成心部硬度偏低.

圖3 軸心部的金相組織

3.2 表層組織

表面層及裂紋附近的金相組織如圖4所示，可以看到，在裂紋附近的金相組織中沒有明顯的氧化和脫碳層存在，這說明裂紋不是在鑄造、鍛造及鍛后調(diào)質(zhì)過程中出現(xiàn)的，而是在表面淬火及以后的加工工序中出現(xiàn)的.

圖4 軸表面層的金相組織

圖4中還可以看出，表面淬火層中有條束狀和針狀馬氏體存在[3]204-205，這可能是表面淬火后的低溫回火不夠充分所致，同時造成表面硬度偏高.

圖4(a)中可看出，表面淬硬層有較模糊呈黑色的網(wǎng)狀組織存在，這是調(diào)質(zhì)后的網(wǎng)狀鐵素體組織在表面淬火中形成的低碳馬氏體，低碳馬氏體本身容易產(chǎn)生自回火形象，因而導(dǎo)致制樣中容易腐蝕的結(jié)果.而調(diào)質(zhì)后的珠光體組織在表面淬火中形成高碳馬氏體，高碳馬氏體的比容大，易產(chǎn)生體積膨脹，從而導(dǎo)致表面層產(chǎn)生徑向的拉應(yīng)力，這是造成該機軸產(chǎn)生剝離裂紋的根本原因[4]201-202.

圖5是淬硬層之下的次表層組織，可以看出次表層組織與心部組織基本相同(圖3與圖5可對比觀察).

由于次表層的組織是網(wǎng)狀鐵素體，而表層組織為淬火的高碳馬氏體組織，次表層與表層組織的線膨脹系數(shù)不同，冷卻收縮時產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，也是造成表層金屬產(chǎn)生剝離裂紋的原因之一.

圖5 次表層的金相組織

4 結(jié)語

Φ130 mm機軸在表面產(chǎn)生剝離狀裂紋的原因是：在鍛后調(diào)質(zhì)的淬火冷卻過程中，由于冷卻速度過低、冷卻時間過短，從而導(dǎo)致網(wǎng)狀鐵素體的形成(同時造成心部硬度偏低)；網(wǎng)狀鐵素體在表面淬火中形成的低碳馬氏體易于腐蝕，而被網(wǎng)狀鐵素體所包圍的珠光體組織，其含碳量高于鋼的平均含碳量，在表面淬火中形成高碳馬氏體，高碳馬氏體的比容大，易產(chǎn)生體積膨脹，從而導(dǎo)致表面層產(chǎn)生很大的徑向拉應(yīng)力，磨削之后表面層厚度減薄，在拉應(yīng)力作用下，產(chǎn)生剝離狀裂紋.資料[5]85-88指出，剝離狀裂紋屬于4種典型的鋼件淬火裂紋之一，表面淬火中沿硬化層的組織不均勻，容易造成這種典型的表面剝離狀裂紋.

還應(yīng)該指出的是，該機軸在表面淬火后可能回火不及時或回火不夠充分，導(dǎo)致表面淬火應(yīng)力沒有及時消除，因此造成表面硬度偏高，也可能是該機軸產(chǎn)生表面剝離狀裂紋的原因之一.

[1] 浙江大學(xué)，上海機械學(xué)院，合肥工業(yè)大學(xué).鋼鐵材料及其熱處理工藝[M].上海：上海科學(xué)技出版社，1978.

[2] 高為國,王高升,李東鋒.45鋼齒輪淬火裂紋的形成及擴展[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,22(4).

[3] 王長健.45鋼錐套淬火裂紋失效分析[J].金屬熱處理,2017,42(4).

[4] 張麗偉，劉素芬，王 凡，等.50CrV板簧淬火開裂原因分析[J].金屬熱處理,2015,40(12).

[5] 安運錚.熱處理工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

TG142.1；TG115

A

1671-8127(2017)06-0086-03

2017-05-15

李興會(1969- )，女，遼寧鞍山人，徐州技師學(xué)院副教授，碩士，主要從事金屬材料加工工藝研究。

[責任編輯梧桐雨]