42CrMo鋼蝸桿開裂原因分析

(江陰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所， 江陰 214434)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對能源的需求不斷增長。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭、石油等化石能源日趨枯竭，另一方面過度依賴化石能源所帶來的氣候、環(huán)境、健康等問題日益突出，嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展，尋找綠色能源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題，已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔環(huán)保、無污染能源近年來得到前所未有的發(fā)展。太陽能跟蹤系統(tǒng)是光熱和光伏發(fā)電過程中，最優(yōu)化太陽光使用，提高光電轉(zhuǎn)換效率的機(jī)械及電控單元系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)支撐是太陽能跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，而蝸輪蝸桿則是回轉(zhuǎn)支撐的重要零部件。

某太陽能回轉(zhuǎn)支撐蝸輪蝸桿采用42CrMo鋼為原材料，直徑為30 mm，其主要加工及熱處理工藝為：棒料下料→調(diào)質(zhì)處理→毛坯粗加工→精加工→表面滲氮→成品。在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)有少數(shù)42CrMo鋼蝸桿成品表面開裂，為了找出42CrMo鋼蝸桿開裂的原因，筆者對其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

圖1為開裂蝸桿的宏觀形貌，可見蝸桿表面有一條細(xì)長裂紋，裂紋筆直，為沿著圓柱軸向的縱向裂紋，裂紋從蝸桿一側(cè)光桿穿過中間螺紋區(qū)域至另一側(cè)光桿端部。從圖1 b)縱向裂紋的橫截面形貌可以看出，裂紋近似垂直于蝸桿表面，裂紋外闊內(nèi)尖，裂紋起源于蝸桿表面，從表面向心部延伸，延伸深度為10 cm左右，綜上分析縱向裂紋應(yīng)該由工件表面的拉應(yīng)力引起[1]。

圖1 開裂蝸桿宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracking worm:a) longitudinal morphology of the crack; b) cross section of the crack

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂蝸桿上截取化學(xué)成分分析試樣，使用ARL3460型直讀光譜儀對蝸桿進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見其化學(xué)成分均滿足GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMo鋼的成分要求。錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖未超標(biāo)，但在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的上限。合金鋼中合適的錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以增加其強(qiáng)度和硬度，改善合金鋼的鍛造性和可塑性，但隨著錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，會(huì)增加奧氏體相冷卻時(shí)的過冷度，降低合金鋼的淬火溫度，并增大淬火應(yīng)力，使淬裂的傾向變大。

1.3 淬火表面殘余應(yīng)力測試

采用Proto i-XRD型X射線應(yīng)力分析儀,按照GB/T 7704-2017《無損檢測X射線應(yīng)力測定方法》 對42CrMo鋼蝸桿的淬火毛坯表面進(jìn)行應(yīng)力測試，測試前圓棒毛坯試樣先用手持砂輪機(jī)打磨表面及電解拋光腐蝕，再測試其表面殘余應(yīng)力。測試方法為同傾法，測得表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，305 MPa。

表1 開裂蝸桿的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracking worm (mass fraction) %

1.4 微觀分析

沿垂直于蝸桿軸線截取橫向金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，可以觀察到主裂紋貫穿蝸桿，近似垂直于蝸桿表面起裂，然后較為平直地從表面向心部軸心延伸，延伸長度約為1/4直徑。裂紋在蝸桿表面略寬，到未端時(shí)呈尖細(xì)狀，裂紋尾端呈線條狀且不連續(xù)，有微裂紋不與主裂紋貫通，具有淬火裂紋的典型特征，如圖2所示。

從蝸桿最大直徑處取金相試樣拋光后觀察，如圖3所示，可見裂紋附近夾雜物情況較好，未發(fā)現(xiàn)明顯有害夾雜物，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法——標(biāo)準(zhǔn)評級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》A法評定夾雜物級(jí)別為：A 0.5級(jí)，B 0級(jí)，C 0級(jí)，D 0級(jí)。

圖2 開裂蝸桿裂紋的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of the crack of the cracking worm:a) both sides of the crack; b) end of the crack

圖3 開裂蝸桿的非金屬夾雜物形貌Fig.3 Morphology of nonmetallic inclusions in the cracking worm

1.5 金相檢驗(yàn)

將金相試樣用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后，在金相顯微鏡下觀察其顯微組織形貌，不同部位在不同放大倍數(shù)下的顯微組織形貌如圖4所示。蝸桿基體顯微組織主要為回火索氏體，按照GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定法》中氧化法,試樣在860 ℃±10 ℃加熱，保溫1 h，后冷水中淬火，再拋光，最后用15%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸乙醇溶液浸蝕,如圖5所示,用對比法評定其晶粒度級(jí)別為9級(jí)。

圖4 開裂蝸桿的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the cracking worm

在開裂蝸桿的裂紋處取樣，經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察，如圖6所示，可見裂紋附近顯微組織為回火索氏體+少量的鐵素體，裂紋兩側(cè)有一層厚度約為20 μm的白亮層。

圖6 開裂蝸桿裂紋附近在低倍和高倍下的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology near the crack of the cracking worm at a) low and b) high magnificaiton

1.6 能譜分析

對裂紋兩側(cè)白亮層進(jìn)行能譜(EDS)分析，分析位置和分析結(jié)果如圖7所示，測得各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.8%Fe，1.18%Cr，0.81%Mn，0.25%Si，6.98%N。可見氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，初步判斷此白亮層為滲氮層。

圖7 裂紋兩側(cè)EDS分析位置和分析結(jié)果Fig.7 EDS analysis a) position and b) results on both sides of the crack

1.7 硬度測試

圖8 硬度測試打點(diǎn)位置Fig.8 Hardness test dot location

圖9 硬度測試結(jié)果Fig.9 Hardness test result

按照GB/T 4340.1-2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用Q30A型全自動(dòng)維氏硬度計(jì)用0.49 N載荷對裂紋表面白亮層進(jìn)行顯微硬度測試，測試打點(diǎn)位置如圖8所示，測試結(jié)果如圖9所示，測得顯微硬度為876 HV0.05。通過硬度測試結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)裂紋兩側(cè)表面白亮層為滲氮層，從而可以判斷該裂紋產(chǎn)生于表面滲氮工藝之前。滲氮層的硬度變化趨勢如圖10所示，可見表面硬度較高接近800 HV0.05,隨后硬度逐漸降低，距表面0.8 mm后硬度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的硬度約為350 HV0.05。

圖10 從表面到心部的硬度變化趨勢 Fig.10 Tendency change of the hardness from surface to center

2 分析與討論

開裂蝸桿基體及裂紋附近的夾雜物情況較好，未發(fā)現(xiàn)明顯有害夾雜物，表明該蝸桿材料的潔凈度較好。蝸桿基體顯微組織為回火索氏體，顯微組織無明顯異常，從顯微組織可以判斷，蝸桿已完全淬透，測得蝸桿調(diào)質(zhì)后顯微組織的晶粒度為9級(jí)。上述結(jié)果表明蝸桿調(diào)質(zhì)熱處理工藝無異常。

裂紋兩側(cè)表面可見白亮層，厚度約為20 μm，由硬度及能譜測試結(jié)果確認(rèn)其為滲氮層，裂紋表面出現(xiàn)滲氮層可以判斷裂紋的產(chǎn)生是在滲氮工藝之前。裂紋垂直方向硬度測試結(jié)果顯示，滲氮影響層厚度約為0.8 mm。蝸桿毛坯淬火態(tài)表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果為拉應(yīng)力，應(yīng)力為305 MPa。蝸桿化學(xué)成分滿足GB/T 3077-2015對42CrMo鋼的成分要求，但錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的上限。錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高會(huì)增加奧氏體相冷卻時(shí)的過冷度，降低鋼的淬火溫度，并增大淬火應(yīng)力，使淬裂的傾向變大。

從裂紋的宏、微觀形貌來看，裂紋起源于蝸桿毛坯表面后往心部擴(kuò)展，裂紋呈鋸齒狀，有沿晶開裂特征，裂紋起始端較寬，末端裂紋呈細(xì)尖狀，主裂紋尾端可見微裂紋存在，上述特征具有全淬透工件淬火縱向裂紋的典型特征[2]。綜上分析，此裂紋應(yīng)該是在調(diào)質(zhì)熱處理工藝的淬火階段形成，而淬火應(yīng)力過大是導(dǎo)致該蝸桿淬火開裂的直接原因。

蝸桿毛坯淬火時(shí)從奧氏體化溫度急速冷卻會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，而在馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度(Ms溫度)以下發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變則會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力。因此淬火冷卻階段蝸桿毛坯所受的應(yīng)力是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的疊加應(yīng)力，這兩種應(yīng)力的相互作用使淬火應(yīng)力變得極其復(fù)雜[3-5]。首先，淬火開始時(shí)先由熱應(yīng)力起主導(dǎo)作用。在淬火溫度開始冷卻的初始階段，蝸桿的表層溫度會(huì)迅速降低，這時(shí)因熱脹冷縮效應(yīng)，表面發(fā)生體積收縮，而內(nèi)部的溫度還較高，體積收縮不均勻，表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。在冷卻到馬氏體開始相變溫度的過程中，組織未發(fā)生變化，只是熱應(yīng)力的變化。冷卻速度越快，材料中碳和合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，冷卻過程中產(chǎn)生的不均勻變形就越大，殘余應(yīng)力就會(huì)越大，但是在此過程中材料一般不會(huì)產(chǎn)生裂紋。當(dāng)冷卻到馬氏體相變溫度以下時(shí)，原奧氏體相向馬氏體相轉(zhuǎn)變，比容增大，并且會(huì)伴隨體積的膨脹。蝸桿表面先到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度形成馬氏體，而心部轉(zhuǎn)變較滯后，后形成馬氏體時(shí)的體積膨脹會(huì)受到表層的制約，這樣會(huì)使表層組織受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力。

所以在淬火冷卻時(shí)，Ms溫度以上僅存在熱應(yīng)力機(jī)制，而在Ms溫度以下兩種機(jī)制同時(shí)存在，但是馬氏體相變引起的線膨脹量大于熱膨脹量約一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以Ms溫度以下組織應(yīng)力機(jī)制會(huì)起主要作用[6-8]，表面殘余應(yīng)力測試結(jié)果為305 MPa也證實(shí)了以上分析。縱向裂紋經(jīng)常出現(xiàn)在全淬透構(gòu)件上[9]，這是因?yàn)槿阃笜?gòu)件相變應(yīng)力較高，在表面容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，并且對于圓柱件來說，切向應(yīng)力會(huì)高于軸向應(yīng)力。另外合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，Ms溫度越低，淬透性越好，馬氏體越細(xì)，比容越大引起的組織應(yīng)力就越大，所以構(gòu)件會(huì)更容易發(fā)生開裂。另外在低溫下材料的韌性沒有高溫時(shí)好，如果在較低溫度時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變會(huì)更容易發(fā)生開裂。

一般裂紋都是在構(gòu)件受拉應(yīng)力情況下產(chǎn)生[10]。構(gòu)件出現(xiàn)開裂其內(nèi)部一定存在應(yīng)力梯度，即應(yīng)力集中[11]。構(gòu)件瞬時(shí)拉應(yīng)力過大造成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過其斷裂強(qiáng)度時(shí)，裂紋就會(huì)產(chǎn)生。隨著裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，冷卻油會(huì)沿裂紋進(jìn)入構(gòu)件的內(nèi)部，則裂紋附近也會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而在主裂紋附近形成微裂紋并擴(kuò)展[12]。

3 結(jié)論及建議

該42CrMo鋼蝸桿表面裂紋為淬火應(yīng)力裂紋，蝸桿材料中的錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高以及淬火過程中熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加導(dǎo)致蝸桿沿軸線方向開裂。

建議蝸桿材料在熱處理時(shí)適當(dāng)降低馬氏體轉(zhuǎn)變階段的冷卻速率，從而降低相變應(yīng)力引起的表面拉應(yīng)力；適當(dāng)提高冷卻開始階段非相變溫度區(qū)間的冷卻速率，提高熱應(yīng)力用來抵消相變應(yīng)力，降低表面的拉應(yīng)力；加強(qiáng)對機(jī)加工后蝸桿的質(zhì)量檢查，避免帶有裂紋的蝸桿進(jìn)入裝配使用環(huán)節(jié)。