汽車半軸套管用鎖緊螺母調質開裂失效分析

■ 焦東風，金林奎，趙建國，王春亮

1. 概述說明

（1）汽車用半軸套管鎖緊螺母的加工，原工藝采用圓鋼下料鍛造。首先在高速汽錘上進行鐓粗壓扁，鐓粗的鍛造比達Y=H0/H1=10，而且鍛件變形速度太快，易產生平面周向折疊。由于螺母厚度太薄，鍛坯只有10mm左右，終鍛溫度難以控制。在后序沖孔和整形時，溫度偏低延展性不足，易形成邊角開裂。造成折疊和開裂的廢品率高達25%左右。

（2）為了避免鍛造加工的缺陷，改進后的鎖緊螺母加工工藝，采用45鋼熱軋無縫鋼管，鋸床下料。這樣可以節省材料，減少工序，同時避免鍛造裂紋。近期的螺母產品經調質處理，機加工后發現工件表面開裂現象比較嚴重。螺母外平面形成整體的周向裂紋，以及數條徑向裂紋，廢品率高達10%。

（3）目測螺母失效件（見圖1）表面，裂紋主要呈周向開裂，裂紋幾乎延伸至整個工件外平面。圖1上部有一條垂直于外圓的徑向裂紋，裂紋上端沒有貫穿外表面，下端沒有與徑向裂紋相連接，初步推斷為內裂紋，內裂紋的產生與內部組織缺陷有關。圖1下部有一條人字形分叉裂紋，人字形裂紋的頂端與外圓表面相連接，形成開口裂紋。

2. 過程檢驗

（1）截取原材料尺寸為25mm×25mm×15mm（長×寬×厚）的樣塊，進行化學成分檢測，檢測設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀。檢查結果（見附表）表明，化學成分符合材料標準要求。

（2）金相檢測，人字形裂紋的頂端，與外圓表面形成開口裂紋，且裂紋兩側有明顯的氧化脫碳層（見圖2），氧化脫碳層深度達0.35mm。從圖2看，近表層處裂紋間隙呈深黑色，裂紋內氧化物較少。裂紋下部間隙內充滿高溫氧化物。裂紋附近為調質處理的索氏體組織。靠近裂紋兩側，鐵素體基體上的顆粒狀碳化物較少，屬于含碳量低于正常基體組織的氧化脫碳層。

（3）裂紋的擴展為曲折狀沿晶開裂，裂紋尾部呈分叉狀，裂紋四周同樣布滿較深的脫碳層。存在較深脫碳層的裂紋，可以確定是在淬火之前形成的，因為調質處理的加熱過程，使裂紋兩側氧化脫碳（見圖3）。在徑向裂紋的垂直部位取樣檢查，裂紋仍然是曲折狀沿晶擴展，但裂紋兩側無氧化脫碳現象，這種裂紋屬于調質處理過程中淬火產生的裂紋。在裂紋的附近，可見原始的晶粒異常粗大，晶粒度達1～2級。這種粗大組織，是原材料軋制時溫度過高、晶粒急劇長大造成的，且晶粒呈現軋制拉長的形態（見圖4）。

圖1 螺母表面裂紋（實物）

圖2 裂紋端面脫碳層（400×）

45鋼原材料化學成分的檢查結果（質量分數） （%）

（4）對原材料軋制組織進一步觀察，失效件近表層處晶粒極粗大，且晶粒變形傾向較嚴重，呈扁平狀，晶粒平均直徑為0.35μm，晶粒度達0級；失效件心部的晶粒仍然粗大，變形呈橢圓狀，晶粒平均直徑為0.20μm，晶粒度達1.5級。正常晶粒的平均直徑在0.02～0.06μm之間，晶粒度為5～8級。晶粒度≤3級時屬于過熱組織。晶粒度在0～1.5級之間，已經長大為嚴重的過熱組織晶粒（見圖5、圖6）。這種現象表明原材料在軋制時，加熱溫度過高，晶粒急劇長大，晶界寬化，此時的晶間結合力顯著降低。金相組織顯示，晶粒變形現象嚴重，表明原材料軋制的終軋溫度過低，組織不能回復再結晶。組織間存在較大的鍛造應力，工件在后序加工及熱處理時，極易造成變形和開裂。

（5）在人字形裂紋的中部，裂紋周圍的脫碳層較嚴重，脫碳層深度達0.40mm。在脫碳層處，鐵素體基體呈較粗的等軸晶粒。這種較粗的等軸鐵素體（見圖7）晶粒，表明組織經過一次奧氏體化溫度加熱的氧化脫碳，但加熱溫度應在1000℃以下。如果加熱溫度超過1000℃，甚至在1200℃以上，該脫碳層的鐵素體晶粒就會形成長條狀的柱狀晶，因此該裂紋不會是軋制開裂的裂紋。該裂紋不是軋制開裂的另一個理由是，如果該裂紋在軋制時開裂，那么調質后裂紋周圍脫碳層內的鐵素體晶粒應為細小等軸狀。因為鐵素體晶粒在軋制的高溫下，首先形成柱狀晶，然后在調質處理的加熱過程中，鐵素體晶粒經過二次重結晶，柱狀晶完全奧氏體化，然后重新結晶，轉變為細小等軸狀的晶粒。由此表明，出現這種較粗等軸狀鐵素體晶粒的裂紋，應是在軋制之后淬火之前形成的。從脫碳層嚴重程度看，該裂紋應是在調質處理加熱初期產生的。由此推斷，可能為調質處理加熱初期熱應力產生的裂紋；也有可能是原材料軋制時即存應力集中裂紋；或者為原材料下料后應力釋放產生的裂紋。但是有一點可以確定，在1200℃左右的高溫軋制過程中沒有產生這種裂紋。該裂紋是在原材料軋制以后，由于終軋溫度過低，組織沒有回復再結晶，變形的晶粒沒有及時回復，應力沒有得到消除，在后序機加工及熱處理時，應力釋放及疊加產生的裂紋。在裂紋附近，分布有大量斷續條狀的淺灰色非金屬夾雜物（見圖8）。從形狀和特征判斷，該非金屬夾雜物屬于低熔點的硫化物夾雜。它的存在顯著降低了材料的強度，進一步增加材料的應力開裂傾向。

圖4 裂紋周圍無脫碳層（100×）

圖5 表層粗大晶粒（100×）

圖6 心部粗大晶粒（100×）

圖7 較粗等軸鐵素體（400×）

圖8 條狀非金屬夾雜物（400×）

3. 分析改進

（1）汽車用半軸套管鎖緊螺母的表面裂紋，是原材料軋制之后，機加工及熱處理過程中產生的。產生裂紋的影響因素包括鋼管原材料軋制始軋溫度過高；終軋溫度過低；原材料非金屬夾雜物超標。①原材料軋制始軋溫度過高，晶粒急劇長大，晶界弱化，晶間結合力顯著降低，極易造成應力開裂。②原材料軋制終軋溫度過低，組織無法回復再結晶，原始晶粒嚴重變形，原材料軋制應力很大且無法消除。這種情況下，原材料鋼管放置時間越長，軋制應力在晶界等缺陷處集中越嚴重，越易沿粗大晶粒的晶界處產生裂紋。③原材料鋼管用鋸床下料后，在粗大晶粒開口處，原始軋制應力得到釋放，極易形成邊角開裂。④工件在調質處理加熱時，原始軋制應力與加熱過程中產生的熱應力疊加，增加工件的開裂傾向。⑤工件在淬火時產生的組織應力，超過原始粗大組織的晶間結合力，使工件產生開裂。⑥原材料中非金屬夾雜物超標，材料的強度降低，脆性增大，進一步增加后序機加工及熱處理開裂傾向。

（2）正是由于不規范的原材料軋制加工工藝，給后序機加工及熱處理帶來諸多開裂的隱患。出現上述軋制缺陷的鋼管，原材料制造廠家應及時進行去應力退火或高溫回火處理，以便消除軋制應力，防止鋼管原材料在后序加工中產生裂紋。同時也要降低材料組織中的非金屬夾雜物，保證原材料的組織和性能要求。