淺析調(diào)質(zhì)銷軸開裂原因

袁 軍

（秦皇島秦冶重工有限公司，河北 秦皇島 066318）

Φ200 mm 銷軸，材質(zhì)45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，在機(jī)加工過程中發(fā)現(xiàn)裂紋。對開裂銷軸進(jìn)行取樣檢驗分析，結(jié)果顯示材料存在多種缺陷導(dǎo)致銷軸開裂。

45 鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼典型代表鋼種之一，具有較高的強(qiáng)度一定的韌性和塑性良好的切削加工性能，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較好的綜合力學(xué)性能，常用于制造銷軸等[1]。

1 化學(xué)成分分析

表1 45 鋼銷軸化學(xué)成分（%）

對照GB/T 699—2015，符合45 鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 金相分析

2.1 低倍檢驗

對銷軸橫截面進(jìn)行酸洗檢驗，發(fā)現(xiàn)一般為疏松3 級。同時顯示多條裂紋，并有裂紋穿過軸心。

2.2 非金屬夾雜物

在100×視場下未發(fā)現(xiàn)可評級的非金屬夾雜物。

金相組織：從軸心沿軸徑距離端面1/4 區(qū)域的裂紋末梢取樣，檢驗橫截面金相組織，經(jīng)硝酸酒精腐蝕后顯示結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 鐵素體網(wǎng)及魏氏組織500×

圖2 沿晶裂紋1000×

圖1 顯示組織為極細(xì)珠光體+沿晶界分布的鐵素體，部分鐵素體呈輕微的魏氏組織，晶粒度7～8 級。

圖2 為銷軸截面的裂紋末梢，顯示沿鐵素體網(wǎng)開裂，為沿晶裂紋。

從銷軸中心裂紋部位取樣檢驗，顯示組織分布不均勻，鐵素體網(wǎng)多聚集分布，縱向組織顯示呈明顯的鐵素體帶狀偏析，如圖3 所示。在鐵素體網(wǎng)個別聚集分布的區(qū)域內(nèi)以及帶狀鐵素體區(qū)域內(nèi)均可見硫化物夾雜，如圖4所示。

圖3 帶狀組織形貌50×

圖4 硫化物夾雜1000×

由上述檢驗結(jié)果可知，材料存在多種缺陷包括一般疏松、組織不均勻、鐵素體網(wǎng)、魏氏組織、帶狀組織以及硫化物夾雜。同時，由于銷軸截面積比較大，45 鋼的淬透性差，檢驗處組織基本是鐵素體和極細(xì)珠光體狀態(tài)，沒有達(dá)到理想的索氏體組織。

3 缺陷組織的形成及對性能的影響

3.1 鐵素體網(wǎng)的形成及危害

各種組織缺陷是相互關(guān)聯(lián)的，鐵素體網(wǎng)與鋼材原始狀態(tài)有關(guān)，鐵素體在原奧氏體的晶界處析出，由于奧氏體境界上晶格缺陷多，且組織疏松，易于鐵素體新相的形核和原子聚集，從而為網(wǎng)狀組織的形成創(chuàng)造條件。

奧氏體化過程如果存在過熱現(xiàn)象，緩慢冷卻時會沿晶界析出呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的鐵素體網(wǎng)。因為相界或晶界上的原子有更大的自由能和運動空間，因此在晶界處析出。

鋼中出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體會使鋼質(zhì)變脆，韌性變壞。在淬火過程中會引起淬火裂紋，降低工件的力學(xué)性能特別是沖擊韌性。

3.2 魏氏組織的形成及危害

魏氏組織的產(chǎn)生原因有2 種。1）原始組織晶粒粗大或加熱溫度過高。2）冷卻速度過快。在亞共析鋼中，鋼在高溫以較快的速度冷卻時，先共析的鐵素體從奧氏體的晶界上沿著奧氏體的一定界面向晶內(nèi)生長，呈針狀析出，奧氏體晶粒越粗大越容易形成魏氏組織。從圖1 和圖4 中明顯看出魏氏組織鐵素體針狀形態(tài)。魏氏組織在最終熱處理時會有增大變形的傾向，使鋼的塑性和沖擊韌度顯著降低。

3.3 帶狀組織的形成及危害

帶狀組織的形成有2 種情況。1）有成分偏析引起的帶狀組織。在亞共析鋼中，由于夾雜物的含量較多，加工變形后，夾雜物呈流線分布，當(dāng)鋼從熱加工溫度冷卻時，這些夾雜物可作為先共析鐵索體成核的核心，使先共析鐵素體先在夾雜物周圍生成，最后剩余奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，使先共析鐵素體和珠光體呈帶狀分布，形成帶狀組織。2）由于熱加工溫度不當(dāng)引起的帶狀組織。在鍛造時，熱加工停鍛溫度位于兩相區(qū)時（Ar1 和Ar3 之間），鐵素體沿著金屬流動方向從奧氏體中呈帶狀析出，尚未分解的奧氏體被割成帶狀，當(dāng)冷到Ar1 時，帶狀奧氏體轉(zhuǎn)化為帶狀珠光體。

帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并影響鋼材性能，形成各向異性，降低鋼的塑性、沖擊韌度，熱處理時帶狀組織輕則會導(dǎo)致熱變形過大，重者會造成應(yīng)力集中，容易在鐵素體、珠光體帶狀交界處開裂。

3.4 硫化物夾雜的形成及危害

硫化物夾雜主要是在鋼凝固時由于硫的偏析，硫化物夾雜析出于樹枝晶間。硫化物主要成分是MnS，熔點低，冷卻速度越快析出的硫化物顆粒越小，冷卻速度慢時，硫化物聚集長大最后凝固于中心部位的枝晶間。

以上幾種缺陷都具有一定的遺傳性。

4 銷軸開裂原因分析

4.1 鐵素體網(wǎng)、魏氏組織導(dǎo)致開裂

從圖2 可見裂紋沿鐵素體網(wǎng)、魏氏組織開裂。本質(zhì)上來說，網(wǎng)狀組織也是一種脫溶現(xiàn)象，在淬火組織應(yīng)力作用下開裂。

4.2 夾雜物及帶狀組織導(dǎo)致開裂

從橫截面低倍酸洗試樣上可以看出，軸中心部位存在裂紋。這是由于軸心部位硫化物夾雜物破壞了金屬基體的連續(xù)性，引起鋼的熱脆，軸心部位帶狀組織也是由于成分偏析未充分消除，盡管淬火處理后，其帶狀組織特征仍然存在[2]，引起銷軸心部開裂。

所以，調(diào)質(zhì)后的銷軸組織形貌仍存在鐵素體網(wǎng)、魏氏組織、帶狀組織和硫化物夾雜，是銷軸在機(jī)加工過程中出現(xiàn)裂紋的主要原因。說明該銷軸調(diào)質(zhì)前其顯微組織中鐵素體網(wǎng)、魏氏組織和帶狀組織級別較高，淬火加熱奧氏體化仍無法消除其缺陷組織，材料呈脆性，調(diào)質(zhì)冷卻后應(yīng)力作用導(dǎo)致銷軸開裂。

5 改進(jìn)措施

5.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量

原材料檢驗中必須進(jìn)行鐵素體網(wǎng)、魏氏組織和帶狀組織、非金屬夾雜物等缺陷組織檢查，對于缺陷組織嚴(yán)重的材料，做退貨處理，以免給公司造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至產(chǎn)生安全隱患。

5.2 調(diào)質(zhì)前進(jìn)行正火或退火處理

需要后序進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的材料，在調(diào)質(zhì)前進(jìn)行細(xì)化晶粒均勻組織的正火、退火等熱處理。

5.3 消除缺陷組織

生產(chǎn)過程中如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的鐵素體網(wǎng)、魏氏組織、帶狀組織，一般正火、退火解決不了，可采用高溫正火、擴(kuò)散退火或二次正火的方法加以消除。高溫正火加熱溫度一般要在930℃～1 050℃，使碳原子充分?jǐn)U散均勻，消除缺陷組織。

對于魏氏組織， 因其初始形成溫度一般為750℃～690℃，終止形成溫度一般為650℃～670℃[3]。所以熱處理時嚴(yán)格控制冷卻速度，避免魏氏組織形成。

6 結(jié)語

綜上所述，45 鋼調(diào)質(zhì)銷軸類零件，執(zhí)行常規(guī)水—空交替控時淬火的工藝調(diào)質(zhì)處理，一般不會發(fā)生開裂現(xiàn)象，屬于成熟穩(wěn)定的調(diào)質(zhì)技術(shù)。該次開裂，從原材料檢測、調(diào)質(zhì)等過程追溯，并從裂紋形態(tài)及組織分析，得出結(jié)論，該銷軸鍛造過程未能徹底消除鐵素體網(wǎng)、帶狀組織、未能細(xì)化硫化物夾雜。調(diào)質(zhì)淬火冷卻時又因截面積大，冷卻速度介于淬火—正火之間導(dǎo)致魏氏組織產(chǎn)生，兩方面因素作用致使45 鋼調(diào)質(zhì)銷軸開裂。應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)管理及質(zhì)量監(jiān)督，徹底解決此類問題。