40Cr軸超聲探傷不合格原因分析

何健楠，廖卓文，楊雄強，王銀國，何永杰

(寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關 512123)

40Cr屬于中碳低合金鋼，具有很高的強度、良好的塑性和韌性，通常用于制造承受中等負荷及中等速度工作的機械零件，如汽車的轉向節、后半軸以及機床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等[1-2]。

軸類零件主要用來支承傳動零部件、傳遞扭矩和承受載荷。軸類零件是旋轉體零件，其長度大于直徑，一般由同心軸的外圓柱面、圓錐面、內孔和螺紋及相應的端面所組成。根據結構形狀的不同，軸類零件可分為光軸、階梯軸、空心軸和曲軸等。某廠將直徑φ140 mm的40Cr圓棒加工成直徑φ110 mm的軸，加工工藝為：下料→加工→加熱(850 ℃)→鹽水淬火→超聲探傷。依據GB/T 4162的A級標準對40Cr軸進行超聲探傷時，發現40C軸端部超聲不合格。

1 試驗方法

1.1 取樣

觀察40Cr軸超聲探傷不合格端部區域，未發現明顯缺陷。在端部取100 mm×80 mm×90 mm的水浸高頻超聲探傷C掃方形試塊1塊、端面1/4處取化學成分分析試樣1塊，見圖1。

圖1 取樣位置Fig.1 Sampling location

1.2 化學成分分析

按照國家標準GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法)》和GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法》對碳、硅、錳、磷、硫、鉻等元素含量進行檢測，檢測結果見表1。材料化學成分均在標準要求范圍內，符合標準要求。

1.3 高頻探傷分析

對100 mm×80 mm×90 mm試塊平行于軋制方向的4個平面進行表面加工，經過銑削、磨削加工后，表面光潔度Ra達到0.1 μm，符合標準ASTM E588—03 《用超聲波法檢測優質軸承鋼中大塊夾雜物的準實施規范》對檢測試樣表面光潔度要求。

根據ASTM E588標準用方形試塊上深13.5 mm、直徑未φ0.4 mm的平底孔在水浸高頻超聲探傷C掃設備上對10 MHz聚焦探頭進行靈敏度校驗后，再在校驗增益基礎上增加16 dB增益，對40Cr軸方形試塊平行于軋制方向的平面進行螺旋軌跡掃查。掃查結果發現軸端部試塊偏中心區域存在缺陷，缺陷距端面11 mm、沿軋制方向長度4.25 mm，缺陷水浸高頻超聲探傷C掃查結果，如圖2所示。

圖2 軸端部掃查結果Fig.2 Scanning results of shaft end

1.4 組織分析

采用線切割設備沿缺陷中心截取金相試樣，觀察裂紋橫截面顯微組織。發現缺陷處存在近似平行于水浸探傷掃查面的裂紋，裂紋中間區域較寬、兩端沿表面延伸逐漸變細，呈鋸齒狀，裂紋內及周圍無異常非金屬夾雜物及氧化質點，見圖3(a)；裂紋兩端部鋸齒狀明顯，且存在細沿晶界分叉，見圖3(b)；擴展處的裂紋兩側存在二次裂紋，見圖3(c)。采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，裂紋處未發現氧化、脫碳、非金屬夾雜物，裂紋處組織與基體組織存在明顯差異，裂紋處組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，基體組織為珠光體+貝氏體+鐵素體，見圖4。

(a)裂紋擴展形貌；(b)裂紋末端形貌；(c)二次裂紋末端形貌圖3 裂紋橫向形貌(a) crack propagation morphology；(b) crack end morphology；(c) secondary crack end morphologyFig.3 Transverse morphology of crack

(a)裂紋處；(b)基體圖4 裂紋橫向金相組織(a) crack; (b) matrixFig.4 Microstructure of transverse crack

在裂紋處截取縱向金相試樣，裂紋呈鋸齒狀沿軋制方向分布，裂紋兩側及周圍無非金屬夾雜物及氧化質點，如圖5所示。采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，裂紋處組織與基體組織存在明顯差異，裂紋處組織存在明顯偏析現象，組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，如圖6(a)和6(b)所示；基體組織為珠光體+貝氏體+鐵素體，如圖6(c)所示。

圖5 裂紋縱向形貌Fig.5 Longitudinal morphology of crack

(a)裂紋處偏析；(b)裂紋處；(c)基體圖6 裂紋縱向金相組織(a) degregation at crack; (b) crack; (c) matrixFig.6 Microstructure of longitudinal crack

1.5 斷口分析

采用液壓斷口機折斷試樣，觀察縱向斷口裂紋形貌。斷口裂紋區域近似三角形，沿軋制方向、徑向同時擴展，如圖7所示。裂紋斷口中心區域呈沿晶斷裂形貌，斷口上無異常夾雜物及其他缺陷；試樣折斷撕裂區域斷口呈準解離形貌，如圖8所示。

圖7 斷口宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of fracture

(a)斷口中心區；(b)撕裂區圖8 斷口形貌(a) fracture center area; (b) tear areaFig.8 Fracture morphology

2 分析與討論

40Cr軸的化學成分滿足技術條件要求；裂紋內及兩側未見非金屬夾雜物、脫碳、氧化質點，可排除原材料導致裂紋的可能性[3-4]。裂紋呈鋸齒狀由心部向徑向和軸向延伸，斷口呈沿晶斷裂形貌，并存在細沿晶界分叉、二次裂紋，說明裂紋為典型淬火裂紋[5-7]。

40Cr軸零件直徑為φ110 mm，尺寸較大，零件經鹽水淬火后，表面與心部存在較大溫度梯度差,在零件冷卻后期，表面已降至室溫，而心部繼續降溫時，因伴隨體積收縮受到表層淬硬層的強力約束，在心部區域產生三維拉應力，最大拉應力作用在截面的中心處[8-9]。零件冷卻速度越快、截面尺寸越大，熱應力越大。

裂紋區域存在明顯的組織偏析，在零件加熱時，形成成分不同的奧氏體區域，且因區域成分的差異造成組織轉變點不同，發生組織轉變的時間先后不一致，導致偏析區域出現很大的組織應力，形成淬火裂紋[10-11]。

淬火過程中零件心部產生的熱應力與組織應力疊加超過鋼的斷裂極限時，在心部形成淬火裂紋。淬火是為了形成表面硬化層，增加表面硬度和耐磨性。為防止零件產生淬火裂紋，開展淬火試驗，采用鹽水-油雙液淬火法代替鹽水淬火法。利用二級淬火介質的緩冷作用，降低由于快速冷卻使零件表面和心部之間產生溫差，減少熱應力形成、防止淬火裂紋，即零件熱處理完成后，先在鹽水中淬火36 s，再轉入柴油中完全冷卻[12]。零件淬火后，超聲探傷檢測合格。

3 結論

1)40Cr軸超聲探傷不合格是由于軸端心部存在淬火裂紋；

2)由于零件規格較大，且材料心部成分偏析，在鹽水淬火過程中心部產生較大熱應力與組織應力，組織應力與熱應力疊加超過材料的強度極限導致心部形成裂紋。

3)采用雙液淬火方式，利用二級淬火介質的緩冷作用，降低零件MS點以下溫度區域冷卻速度，降低淬火應力，能有效地防止淬火裂紋。