42CrMo大軸調質開裂原因分析

■ 張勇，盧俊玲，和永紅，虎巖

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一種材料為42CrMo的大軸，在調質工序完畢后，目測發現開裂，裂紋部位在中間最大直徑260mm處的兩端軸肩處，裂紋圓周走向，向臺階端面及外圓延伸，深度橫向30mm，縱向20mm，如圖1所示。該軸本批共調質9件，經目測和著色檢測共發現開裂4件，調質前尺寸如圖2所示。

圖 1

42CrMo材料的大軸類產品，采用水-空交替控時淬火調質工藝已有多年，屬于成熟穩定的調質技術，從未出現過開裂現象。本次調質首次出現批量開裂，重量318kg/件，4件合計重量為1.3t，累計成本損失達2.4萬元，給公司造成了大的財產損失，制造過程存在較嚴重的風險，為及時遏止此類問題再發，必須深刻分析原因并解決。

1.工藝、制造過程追溯

該軸的工藝流程為：原材料→鍛造→粗車→調質→精車→感應淬火→磨成，開裂發生在調質工序，需對本工序及其之前的工序如原材料、鍛造、粗車、調質工藝及過程做分析。

圖2 調質前尺寸

（1）材料成分 一般情況下，調質開裂，材料成分影響大，因此為了分析開裂原因，從開裂軸的實體上取樣，做材料化學成分分析，化驗結果如表1所示，各元素含量均符合GB/T 3077—2015標準，且各成分均在標準含量的中限。

表1 實體軸化學成分（質量分數） （%）

（2）鍛造、粗車制造過程制坯材料為中原特鋼42CrMo 材料、φ280mm×6000mm圓鋼鋸料后鍛成（見圖3），成品軸最大外圓處，用φ280mm圓鋼不鍛打（見圖4），兩端臺階分別鍛打到鍛造工藝要求尺寸，并進行了鍛后正火。

φ280mm外圓，由于操作過程中軸切肩不易切直，實際鍛造最大外圓為φ300mm。

圖3 所用原材料φ280mm圓鋼

圖4 鍛造毛坯

經追溯，該軸粗車后、調質裝爐前，軸表面全部加工見亮，按照正常的工藝流程，經超聲波檢測，未發現表面存在鍛造折疊、表皮裂紋等鍛造缺陷，也未發現軸內部有缺陷。因此，就目前的檢測手段而言，原材料、鍛造、精車工序的制造是符合技術要求的。

（3）熱處理過程

首先是淬火、回火加熱過程：開裂的軸分兩爐次淬火，圓盤記錄儀記錄的加熱過程是，淬火820℃保溫，保溫時間超差+9%，符合操作誤差要求；回火650℃保溫，回火時間分別超差+13.6%、+22.7%，原則上長于技術文件要求，浪費能源，但是對軸的回火充分性更有利，有利于應力的充分釋放，因此，這不是開裂的原因。

其次是水溫：軸開裂后，經測量正在使用的冷卻循環水，淬火前溫度為25～29℃，符合20～40℃的溫度要求。

然后是水-空淬火過程：該軸采用水-空交替控時淬火工藝，在水、空氣中交替冷卻實現淬火，此批軸調質9件，分3爐裝爐淬火，調查淬火過程監控視頻，零件實際淬火過程如表2所示。

通過查看淬火過程監控視頻，此批3爐大軸入水淬冷卻時間均不符合操作指導書要求，冷卻時間延長20～90s，且有2爐6件淬火過程中均未使用測溫儀測返熱溫度，因而，最后入水冷卻及終冷溫度是不確定的。

2.斷面形貌

從開裂位置看（見圖5），該軸從φ260mm外圓一端軸肩位置沿圓周方向裂開，裂紋為剛健挺直的曲線且呈刀割狀，裂紋源位于φ260mm軸端面（軸肩），從表面向里延伸10mm后裂開并趨于脫落，裂紋深度未超過淬硬層；破斷面整齊且無明顯塑性變形，斷口匹配性較好，為典型的脆性斷口形態；破斷面帶有紅銹，為水淬過程中形成；經觀察破斷面，也未發現存在夾雜、夾渣等缺陷。

圖5 軸開裂破斷面

表2 實際淬火冷卻時間

3.開裂原因分析

軸開裂部位均在中間最大直徑軸肩處，呈剝落形態，通過開裂形態可以看出，此軸開裂的原因是淬火時應力過大引起，引起應力過大的原因是多方面的，包括冶金、結構、工藝等方面，主要有以下幾方面的原因：

（1）各種毛坯或材料生產過程中均可能產生冶金缺陷，或將原材料的冶金缺陷遺留，最后這些缺陷在淬火時可擴展成淬火裂紋，或導致裂紋的發生。

（2）鋼的含碳量和合金元素對鋼的淬裂傾向有主要影響，隨著含碳量的增加，增大了馬氏體脆性，降低了鋼的脆斷強度，增大了淬火裂紋傾向，在水中淬火時，工件表面壓應力變小，而中間的拉應力極大值向表面靠近；合金元素增多時，增大了相變的不同時性、增大熱處理內應力，有淬裂傾向。

（3）原始組織狀態對淬裂的影響很大，如片狀珠光體等帶狀組織，最好的預備熱處理組織為球狀珠光體。

（4）零件尺寸和結構方面的影響。零件截面過小或過大都不易淬裂，零件的尖角、棱角等幾何形狀，使工件局部冷速急劇變化，增大了殘余應力及開裂傾向。

（5）工藝因素的影響。主要是淬火加熱溫度、保溫時間、冷卻方式等因素對淬火裂紋傾向影響較大。包含升溫速度過快、表面脫碳、過熱或過燒、材料含氫、冷卻等方面。

在淬火后期，發生馬氏體相變，體積膨脹，易產生裂紋。

綜上所述，產生淬火裂紋的原因有多方面，而通過追溯原材料、鍛造、粗車、調質過程發現，材料成分合格，經鍛造、正火、粗車后未發現零件表面有鍛造裂紋、折疊、夾皮等鍛造缺陷，調質前的超聲波檢測，未發現有任何冶金缺陷，而零件水-空淬火冷卻時間嚴重超時，是造成調質開裂的原因之一，鍛造的大軸雖經粗車觀察，外觀無缺陷，然而，鍛造的實際操作過程已經不能追溯，因此，鍛造過程的不確定性也是造成開裂的原因之一，究竟是淬火裂紋，還是鍛造方面造成的裂紋，需進一步區別分析。

4.總結分析

鋼件在冷卻過程中會產生很大的熱應力和組織應力，這兩種應力作用在零件上時表現為壓應力和拉應力，當淬火時形成的拉應力＞壓應力時，極易引起淬火裂紋。鋼件在冷卻到馬氏體開始相變溫度的過程中，由于組織未變，僅產生熱應力，所以鋼件一般不會產生裂紋。當鋼件冷卻到Ms點以下、發生馬氏體相變時，體積膨脹，產生第二類畸變、第二類應力及宏觀的組織應力和熱應力，因而易于產生淬火裂紋。因此，在Ms點以下應緩冷以獲得碳濃度較低的馬氏體，從而減小馬氏體的正方度和組織應力，提高斷裂抗力，降低鋼的淬裂傾向。

大軸裂紋位于截面尺寸變化較大的位置即軸肩處，因此處形狀突變，且加熱和冷卻速率比其他部位要高，淬火時相對易造成大的應力集中，形成拉應力，會顯著增大零件開裂傾向。

從調查過程來看，實際熱處理過程中水冷卻時間較長，冷卻速度比平時要快，這樣導致馬氏體轉變較快，相變應力顯著增大，進而使零件拉應力變大，因軸肩位置應力容易集中，故導致該零件從此發生開裂。

另外，從裂紋破斷面看為典型的脆性斷口，當時裂紋擴展速率較快，幾乎是在瞬間完成開裂，零件開裂位置受到的拉應力應較大；裂紋剛健挺直且破斷面帶有紅銹，因此可斷定該裂紋為典型的淬火裂紋。

綜上所述，42CrMo材料大軸類零件，自執行水-空交替控時淬火的工藝調質處理以來，從未發生過開裂現象，屬于成熟穩定的調質技術。本次開裂，從鍛造、檢測、原材料、調質等過程追溯，并從開裂形態分析，得到的結論是，該軸水-空調質過程中分次冷卻時間過長，冷卻過激，造成淬火應力過大，是該批4件42CrMo材料的大軸開裂的主要原因，應從技術管理如過程的監督檢查、監控視頻的隨機抽查等方法上徹底解決。