矯直斷裂分析與預防

摘要：高淬透性材質(zhì)，心部硬度高，脆性大，塑韌性小。由于熱處理變形，導致產(chǎn)品在熱處理后矯直困難，個別產(chǎn)品發(fā)生斷裂。通過試驗分析，調(diào)整結構上的應力集中，增加產(chǎn)品鍵槽圓滑過渡。設計新淬火工藝，降低產(chǎn)品心部硬度，提高其塑韌性，減少斷裂問題發(fā)生，提高產(chǎn)品一次校直率。

關鍵詞：脆性 矯直 熱處理變形 斷裂失效 心部硬度

在汽車、拖拉機和機械制造業(yè)中，20CrMnTiH鋼主要用于制造齒輪。該鋼冶煉時的淬透性控制要求為:①保證齒輪在隨后的滲碳淬火時不產(chǎn)生熱處理變形和淬火裂紋;②保證齒輪的心部具有足夠的強度和適當?shù)捻g性，防止齒輪過早疲勞破壞[1]。國家標準GB5216-85“保證淬透性結構鋼技術條件”給出的淬透性曲線帶的J9處一般正常寬度均為12HRC，汽車廠向鋼廠訂貨提出的要求是6-7HRC，甚至希望最好達到3-4HRC的寬度。我廠一中間軸產(chǎn)品，使用20CrMnTiH材質(zhì)生產(chǎn)，在矯直過程中多個批次個別產(chǎn)品發(fā)生斷裂，小部分產(chǎn)品矯直困難，即使加熱輔助矯直也很難保證產(chǎn)品都能符合要求。對我廠產(chǎn)品進行了結構分析，斷口分析，金相檢測，并采取措施解決這一質(zhì)量問題。

1 試驗材料與斷口分析

產(chǎn)品為某變速器中間軸，材料20CrMnTiH，其化學成分（質(zhì)量百分數(shù)）為：

產(chǎn)品材質(zhì)按GB/T4336檢測，檢測設備：直讀光譜儀。

失效產(chǎn)品斷口檢測分析：宏觀斷口：軸的斷裂部位發(fā)生在軸頸處（鍵槽與），斷為兩截，斷裂面垂直于軸線方向，斷口新鮮，在6.5X體式顯微鏡下觀察，斷裂源區(qū)是細瓷狀斷口，其余為粗大的放射狀斷口，是一次性脆性彎曲斷裂特征。微觀斷口：用掃描電鏡對斷口進行微觀分析，軸表面斷裂源區(qū)為細瓷狀斷口，其余部位為解理斷裂特征，未發(fā)現(xiàn)裂紋，夾雜等異?，F(xiàn)象。材料和熱處理質(zhì)量符合相關技術要求。材料應控制缺陷，減少微觀缺陷集中，產(chǎn)品減少應力集中。斷裂破壞有兩種常見的形式，即拉應力其主要作用引起的拉斷和切應力起主要作用引起的剪斷[2]。軸矯直斷裂是由于彎曲應力大于大于其受能承受的最大應力，矯直困難是由于軸剛度較大，無塑性變形應力釋放困難。軸部位鍵槽和附近加工刀痕，容易產(chǎn)生應力集中，而且缺陷或溝槽、臺階等形狀越尖銳，材料強度越高，脆性越大[3]。斷口分析表明斷裂源區(qū)發(fā)生在軸的表面，當個別變形較大的軸在矯直時，載荷超過危險截面所能承受的最大載荷，發(fā)生一次脆性彎曲斷裂。

2 試驗方法

軸變形的影響因素，產(chǎn)品的對稱性影響軸的變形趨勢，加熱和冷卻均勻性影響軸變形的大小。故而產(chǎn)品外形和熱處理設備一定，加熱過程均勻性不變的情況下，軸彎曲變形的趨勢無法改變，只能通過調(diào)整淬火冷卻過程減少軸的彎曲變形量。20CrMnTiH是保證淬透性結構鋼，他的淬透性有一定限制，批次之間變動較小，適合于大批量生產(chǎn)，變形規(guī)律比較穩(wěn)定。由于高淬透性材料心部硬度普遍較高，脆性大塑韌性小，矯直過程困難，矯直力小軸彎曲不易矯直，矯直力大，軸易脆性斷裂。利用其J9處心部硬度30-42HRC的特點，設計新的淬火程序，淬火時蒸汽膜階段和沸騰階段需要有足夠的冷卻能力，蒸汽膜要盡早破裂，以保證表面非馬氏體符合標準要求，充足的中高溫冷卻能力保證零件的表面硬度、淬硬硬化層深符合圖紙要求，降低低溫階段冷速，有效降低組織轉(zhuǎn)變應力。通過分段式淬火程序，在保證產(chǎn)品金相質(zhì)量的前提下，降低心部硬度使其更靠近下限，減少其彎曲變形傾向；減少馬氏體轉(zhuǎn)變量，降低心部硬度，減少彈性變形增加塑性變形，利于后期矯直。使用設備為AICHELIN環(huán)形連續(xù)爐，基礎氣氛為氮、甲醇，富化氣為丙酮，在920℃，1.20%滲碳，好富頓G油淬火，豎直放置，滿盤備料，不同批次隨機抽樣，其檢測結果如下表2：

硬化層深檢測按TES-003檢測，檢測設備：V氏硬度計MT90；表面和心部硬度按GB/T231-2002方法檢測，檢測設備：TH600布氏硬度計；組織和非馬氏體檢測按TES-003方法檢測，檢測設備：Olympus金相顯微鏡DX71。

3 試驗結果與分析

從隨即檢測結果看，各項金相檢測指標達到了試驗預期目標，心部硬度普遍有所降低，D點心部硬度由40HRC降低到33HRC，基本達到了預期目標，接近其J9處30-42HRC的下限，且符合圖紙要求。對后期矯直工序進行了多個批次跟蹤，其變形與矯直情況如下：

工藝調(diào)整后產(chǎn)品彎曲變形量降低，一次矯直率提高至95%以上，減少了熱校輔助，連續(xù)生產(chǎn)一年無斷裂發(fā)生。由于熱處理裝爐生產(chǎn)的特點，總有部分位置加熱和冷卻過程中的狀態(tài)較差，導致產(chǎn)品變形量也較大，但是產(chǎn)品的總體變形趨勢得到改善，變形量在0.15mm以下的產(chǎn)品比重明顯提高，通過產(chǎn)品結構圓角改進，熱處理工藝改進等，產(chǎn)品矯直斷裂得到有效解決，產(chǎn)品各項指標符合圖紙，利于批量化生產(chǎn)。

適當降低產(chǎn)品心部硬度，增加產(chǎn)品塑韌性，可有效減少組織應力和熱應力引起的軸彎曲變形，同時塑性變形可以鈍化裂紋前沿，提高裂紋擴展門檻值[4]，阻礙裂紋進一步擴展，減少產(chǎn)品斷裂的風險。金屬材料除了鑄鐵淬火高碳鋼等少數(shù)脆性材料外，一般金屬材料變形都有彈性變形，塑性變形和最后斷裂三個過程[5]。當受力達到屈服極限，開始塑性變形。隨著變形的增加，需要進一步加大外力，故而矯直過程中需要逐次加力，一次受力過大仍然存在斷裂的風險。熱處理淬火工藝的調(diào)整僅能減低硬度梯度，減少脆性，增加塑韌性，需要合理設計和優(yōu)化產(chǎn)品結構；完善矯直工藝；保證材料非金屬夾雜物，尤其是氧化物，硅酸鹽與氮化物；減少偏析引起的組織和化學成分不均勻；良好的熱處理金相質(zhì)量等，只有如此才能更好的解決軸類產(chǎn)品矯直斷裂的問題。

參考文獻：

[1]劉翔.熱處理工藝對20CrMnTi齒輪組織與性能的影響[J].科技資訊，2010，17：252-254.

[2]湯安民，王靜.幾種金屬材料斷裂形式變化規(guī)律的試驗分析[J].實驗力學，2003，18(4)：440-444.

[3]朱智陽，董慶慶.20CrMnTi齒輪斷裂原因分析[J].金屬加工-熱加工，2010.21：57-59.

[4]何子淑，梁益龍.疲勞裂紋擴展門檻值研究[J].貴州工業(yè)大學學報，2006，36(3)：21-23.

[5]石德珂.材料科學與基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.7：323-324.