軸類工件熱處理裂紋原因分析及預防

謝允釧，何西樣，孔孟澤，王孟，孔淑萍

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

1 序言

42CrMo屬于高強度合金鋼，具有較高強度和韌性，綜合力學性能良好，淬透性高，且無明顯的回火脆性，調質處理后有較高的疲勞極限、抗沖擊性能，且低溫沖擊韌度良好，常用于制造要求具有一定強度和韌性的大中鋼件[1，2]。我公司選用42CrMo鋼用于一種大型樞軸制造，工藝路線為：毛坯鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→感應淬火外圓→磨外圓。該樞軸結構如圖1所示。

圖1 樞軸結構

2 故障件概況

樞軸在調質淬火時產生裂紋，位置處于樞軸根部與法蘭過渡圓弧區，整體沿徑向斷裂并延伸至大端法蘭處，樞軸整體裂開，裂紋形態及位置如圖2所示。該件的調質工藝為：840℃保溫3h，出爐后油冷淬火，淬火時間30min，淬火油使用好富頓K油。該種類型產品已生產多批次均未發現裂紋情況。為分析裂紋原因，針對裂紋工件在大端法蘭處取樣，對化學成分、金相組織及裂紋進行分析。

圖2 調質淬火后裂紋形態

在法蘭裂紋處取樣（見圖3）進行分析，化學成分分析結果見表1，金相組織如圖4所示。從分析結果可知，化學成分符合42CrMo鋼技術要求；表面硬度實測為296HBW（符合要求值277～331HBW）；金相組織為回火索氏體，心部組織為回火索氏體+鐵素體。工件裂紋為弧形裂紋，且裂紋兩側無脫碳現象，證明該處調質淬火前無裂紋，并未發現其他明細異常。理化分析人員依據試樣判定為調質淬火時因應力過大而造成裂紋。針對該問題，筆者分析認為，由于該件外形尺寸較大，取樣困難，選取試樣切取位置為較易取樣區，該位置可能為裂紋擴展區，而不是裂紋起始位置，應進行進一步分析。由于樞軸未完全斷裂，無法通過裂紋斷口查找裂紋源。為進一步分析裂紋原因，擬采用切割方式割開工件查找裂紋源，火焰或等離子切割可能會對斷裂位置產生影響，故采用線切割方式對故障件軸部過渡區處裂紋位置進行切割，切割至直徑1/3處時，樞軸斷裂成兩段。

表1 42CrMo鋼樞軸化學成分（質量分數） （%）

圖3 法蘭處取樣

圖4 裂紋處及表面金相組織

3 裂紋原因分析

線切割后斷口形態如圖5所示。斷口心部呈現褐色，外部為正常金屬色。心部褐色為非正常色，推斷褐色可能為氧化所致。分析認為，該件調質淬火前心部應已存在裂紋，且裂紋形成后在后續的鍛造、正火及調質時發生氧化[3]，因此會呈現非正常的褐色。為驗證這一判斷，對褐色區域進行取樣分析。試樣從心部沿軸向切取，試樣切取及處理后發現存在多處裂紋，且裂紋沿徑向分布，如圖6所示。

圖6 裂紋斷裂位置

對試樣進行分析發現，試樣存在明顯帶狀組織（4級），如圖7所示。裂紋沿帶狀組織方向分布，多條且大致平行，與鍛造方向垂直。筆者分析認為，樞軸調質開裂前已存在裂紋，且裂紋存在于心部，表面無裂紋，調質時由于組織應力及熱應力的影響而造成裂紋擴展，同時帶狀組織也有一定影響。因此，應進一步分析鍛造過程是否存在鍛造溫度不足、鍛造比不合理等問題。

圖7 裂紋處心部金相組織

為避免問題件流入市場，對在制品進行排查，使用超聲波探傷機對全部在制品進行無損檢測，發現2件異常，排查生產序列號顯示，2件異常產品與裂紋故障件生產序列號顯示為同一批鍛造生產。為驗證前期分析判斷，對排查出的異常件沿軸向進行線切割，從切割面可明顯看出，內部存在多條明細裂紋，并與鍛造方向垂直，如圖8所示。經進一步驗證，判斷該裂紋是鍛造過程中產生的。

圖8 故障件切割面

4 結束語

1）樞軸斷裂的直接原因應為該件鍛造過程中形成的鍛造裂紋，該裂紋在調質淬火時擴展，同時帶狀組織的存在對裂紋也有一定影響。

2）故障分析時，應仔細查找裂紋源，取樣位置不同對分析結果影響巨大，因此應仔細查找原因，從源頭分析，避免方向錯誤。

3）應加強原材料入廠檢測，避免問題件流入生產工序。