汽車齒輪鋼42CrMoA裂紋成因分析

供稿|袁野，闞開，張群

內容導讀

通過對成品鋼材的化學成分、宏觀低倍試片的表面、皮下和心部碳偏析和疏松程度進行分析及金相檢驗；對加工成齒輪后的裂紋處邊緣、中部和底部脫碳層進行分析。結果表明：鋼材的化學成分、宏觀低倍組織、金相組織均在標準允許范圍內，成品齒輪裂紋處邊緣、中部和底部均無脫碳層，說明成品齒輪裂紋的產生并非鋼材本身質量問題，而與客戶的生產工藝有關。

鋼材用于加工內齒的生產流程為鋸切下料→加熱→ 墩粗→沖孔→ 碾環→空冷→正火→初車→調質→精車→洗齒→氮化。某機加廠使用42CrMoA加工齒輪，在精車工序發現齒輪的內、外表面出現肉眼可見裂紋，裂紋出現率約為5%。

冶金廠對客戶郵寄的宏觀試片和有裂紋缺陷的內齒進行觀察，發現齒輪的內、外表面均有裂紋出現，且方向呈多樣化(與鋼材軋制方向相同、垂直、45°)，裂紋非線性，呈不規則狀，表面無氧化、銹蝕現象(圖1)。

首先對相關產品廠內生產過程及出廠檢驗情況進行調查，冶煉和加工工序未發現異常，鋼材出廠檢驗結果均符合GB/T 3077要求，排除了生產和檢驗過程異常。對加工工藝分析發現有可能產生裂紋的工序為墩粗、碾環和調質。

圖1 裂紋位置及形貌

鋼材生產工藝

生產工藝：高爐鐵水→鐵水預處理→180 t轉爐冶煉→LF精煉爐→RH真空脫氣→350 mm×470 mm連鑄坯→步進式加熱爐加熱→高壓水除鱗→粗軋機軋制→連軋機組→穿水冷卻→精整→探傷→檢驗→入庫。

加熱工藝：預熱段≤650 ℃，加熱二段：850～870 ℃，加熱一段：1210～1240 ℃，均熱段：1210～1230 ℃，出爐溫度：1180～1210 ℃。總加熱時間≥300 min，保證足夠的加熱時間，使化學成分擴散均勻。為防止鋼材軋制過程中組織粗大，采用低溫軋制，開軋溫度控制軋在1100～1150 ℃，終軋進行穿水處理，降低終軋溫度，防止晶粒長大。化學成分見表1所示。

表1 化學成分(質量分數/%)

宏觀低倍檢驗分析

鋼材表面或近表面的裂紋、瑕紋在后續加工過程中會成為裂紋源，加熱后在墩粗工序，裂紋會沿鋼材軋制方向進一步延伸，在鍛件的表面開裂，造成鍛件報廢；鋼材心部存在內裂、嚴重碳偏析或疏松級別超標等會作為裂紋源在碾環過程中于鍛件內表面沿鋼材軋制方向產生內表面開裂，造成鍛件報廢。

為檢驗鋼材表面和心部質量，冶金廠對客戶郵寄來的宏觀試片進行了分析。由于試片一個面已經腐蝕，冶金廠將另一面加工后進行腐蝕，評級后進行斷口檢驗(見圖2)。

圖2 宏觀試片及斷口

成品鋼材宏觀低倍組織檢驗結果見表2所示。

表2 宏觀檢驗結果

宏觀檢驗結果符合GB/T 3077—1999條件要求，斷口組織正常。從宏觀檢驗結果可以得出：(1)宏觀試片表面及皮下無裂紋、瑕紋，不會在墩粗過程中產生表面開裂現象，造成鍛件報廢。(2)宏觀試片心部無嚴重碳偏析、內裂等缺陷，中心疏松級別較低，在墩粗、碾環過程中產生心部開裂，造成鍛件報廢。

鋼材金相分析

對原始鋼材金相檢驗，鋼材組織比較均勻，鋼材組織為P+網狀F+B微量(珠光體+鐵素體網+微量貝氏體)，金相組織如圖3所示。

裂紋脫碳層分析

如果鋼材有原始裂紋，在齒輪加工的加熱、正火和調質過程中裂紋的表面會產生脫碳。因此，冶金廠對齒輪的裂紋進行脫碳檢驗，以確認裂紋是否為鋼材原始缺陷。

試樣1的照片(圖4)顯示外表面和側面均有裂紋，選取裂紋的邊緣、中間、底部橫截面來觀察金相組織(圖5)。試樣2的照片(圖6)顯示內表面有裂紋，選取裂紋的中間和邊緣橫截面來觀察金相組織(圖7)。

圖3 金相組織

圖4 試樣1截取位置圖

從金相組織可以看出，試樣1的邊緣和和底部無脫碳現象，中間有輕微脫碳；試樣2的邊緣和底部無脫碳現象，可以得出：如果鋼材有原始裂紋，在加熱、冷卻及之后的調質過程中裂紋兩側表面會出現脫碳，邊緣一側應較底部嚴重。從2個試樣金相組織看，試樣2的邊緣和底部中均無脫碳現象，說明裂紋不是鋼材原始裂紋引發的；試樣1邊緣和底部無脫碳現象，說明該部位脫碳不是鋼材原始裂紋引發的。試樣1的中間位置出現輕微脫碳，從客戶加工工藝分析，應該是調質過程產生裂紋引發的。

圖5 試樣1(a) 邊緣、(b) 中間、(c) 底部的金相組織

圖6 試樣2截取位置圖

結束語

通過對成品鋼材的化學成分、宏觀低倍試片的表面、皮下和心部碳偏析和疏松程度進行分析及金相檢驗；對加工成齒輪后的裂紋處邊緣、中部和底部脫碳層進行分析，結果表明鋼材原始裂紋在墩粗和碾環過程中不會引發齒輪表面裂紋，此裂紋應是客戶調質過程產生的，即淬火裂紋。

圖7 試樣2(a)中間和(b)邊緣的金相組織