軸類工件熱處理裂紋原因分析及預(yù)防

謝允釧，何西樣，孔孟澤，王孟，孔淑萍

山推工程機(jī)械股份有限公司 山東濟(jì)寧 272073

1 序言

42CrMo屬于高強(qiáng)度合金鋼，具有較高強(qiáng)度和韌性，綜合力學(xué)性能良好，淬透性高，且無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)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(qiáng)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(diào)質(zhì)→精加工→感應(yīng)淬火外圓→磨外圓。該樞軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 樞軸結(jié)構(gòu)

2 故障件概況

樞軸在調(diào)質(zhì)淬火時產(chǎn)生裂紋，位置處于樞軸根部與法蘭過渡圓弧區(qū)，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(tài)及位置如圖2所示。該件的調(diào)質(zhì)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(chǎn)品已生產(chǎn)多批次均未發(fā)現(xiàn)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(xué)成分、金相組織及裂紋進(jìn)行分析。

圖2 調(diào)質(zhì)淬火后裂紋形態(tài)

在法蘭裂紋處取樣（見圖3）進(jìn)行分析，化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，金相組織如圖4所示。從分析結(jié)果可知，化學(xué)成分符合42CrMo鋼技術(shù)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(cè)無脫碳現(xiàn)象，證明該處調(diào)質(zhì)淬火前無裂紋，并未發(fā)現(xiàn)其他明細(xì)異常。理化分析人員依據(jù)試樣判定為調(diào)質(zhì)淬火時因應(yīng)力過大而造成裂紋。針對該問題，筆者分析認(rèn)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(qū)，該位置可能為裂紋擴(kuò)展區(qū)，而不是裂紋起始位置，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生影響，故采用線切割方式對故障件軸部過渡區(qū)處裂紋位置進(jìn)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(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

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(tài)如圖5所示。斷口心部呈現(xiàn)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(rèn)為，該件調(diào)質(zhì)淬火前心部應(yīng)已存在裂紋，且裂紋形成后在后續(xù)的鍛造、正火及調(diào)質(zhì)時發(fā)生氧化[3]，因此會呈現(xiàn)非正常的褐色。為驗證這一判斷，對褐色區(qū)域進(jìn)行取樣分析。試樣從心部沿軸向切取，試樣切取及處理后發(fā)現(xiàn)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(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，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(rèn)為，樞軸調(diào)質(zhì)開裂前已存在裂紋，且裂紋存在于心部，表面無裂紋，調(diào)質(zhì)時由于組織應(yīng)力及熱應(yīng)力的影響而造成裂紋擴(kuò)展，同時帶狀組織也有一定影響。因此，應(yīng)進(jìn)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(jìn)行排查，使用超聲波探傷機(jī)對全部在制品進(jìn)行無損檢測，發(fā)現(xiàn)2件異常，排查生產(chǎn)序列號顯示，2件異常產(chǎn)品與裂紋故障件生產(chǎn)序列號顯示為同一批鍛造生產(chǎn)。為驗證前期分析判斷，對排查出的異常件沿軸向進(jìn)行線切割，從切割面可明顯看出，內(nèi)部存在多條明細(xì)裂紋，并與鍛造方向垂直，如圖8所示。經(jīng)進(jìn)一步驗證，判斷該裂紋是鍛造過程中產(chǎn)生的。

圖8 故障件切割面

4 結(jié)束語

1）樞軸斷裂的直接原因應(yīng)為該件鍛造過程中形成的鍛造裂紋，該裂紋在調(diào)質(zhì)淬火時擴(kuò)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(yīng)仔細(xì)查找裂紋源，取樣位置不同對分析結(jié)果影響巨大，因此應(yīng)仔細(xì)查找原因，從源頭分析，避免方向錯誤。

3）應(yīng)加強(qiáng)原材料入廠檢測，避免問題件流入生產(chǎn)工序。