20CrMnMo凸輪軸滲碳后開裂原因分析

楊 靜，胡華遠，王永坤，薛 建，冉啟燕，楊 歡，范希杰，商榮凱,2

(1.重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402162； 2.船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，重慶 402162)

某批20CrMnMo凸輪軸零件在滲碳空冷后均出現貫穿性裂紋，造成較大損失。為了找到裂紋產生的原因，同時為后續避免此類質量問題采取措施，對斷口形貌、金相組織、能譜、硬度、化學成分等進行測試和研究，并結合熱處理過程和經驗進行綜合分析。

1 問題概述

1.1 工藝流程

20CrMnMo材料凸輪軸產品加工工藝流程為：原材料→加工→600 ℃去應力→機加工→ 925 ℃滲碳→空冷→機加工→淬火→機加工。

1.2 滲碳工藝

滲碳采用傳統井式滲碳爐，以甲醇作為載氣，丙酮作為富化氣。滲碳工藝曲線見圖1，925 ℃滲碳后直接出爐空冷。

1.3 裂紋宏觀形貌

問題產品宏觀裂紋形貌如圖2所示，產品表面出現了縱向貫穿性裂紋，裂紋粗細不均，走向剛直。將裂紋打開后觀察，如圖3所示，擴展深度均勻，裂紋深度約3 mm，整體斷面較干凈，氧化情況不嚴重。

圖1 滲碳工藝曲線Fig.1 The curve of carburizing process

2 原因分析

2.1 斷口形貌分析

在圖3中兩個位置截取試樣進行裂紋斷口形貌分析，并將樣品加工成標準沖擊樣品進行沖擊試驗。位置1斷口裂紋起始于表面，斷口較平整，裂紋源處受到嚴重氧化，看不清斷口真實形貌，疑似存在原始微裂紋，深度約0.25 mm，如圖4所示。位置2斷口較干凈，裂紋源處主要為沿晶和撕裂的混合斷裂，混合斷裂區深度約為0.2 mm，與次表層斷口存在明顯界限，如圖5所示。

圖2 樣品裂紋外觀Fig.2 Crack appearance of the sample

圖3 裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of crack

圖4 位置1處斷口形貌Fig.4 Fracture morphology at position 1

2.2 金相分析

2.2.1非金屬夾雜物評定

非金屬夾雜物評定級別分別為：硫化物1級(細系)；氧化鋁類0.5級(細系)；硫酸鹽類0.5級(細系)球狀氧化物類0.5級(細系)；單顆粒球狀夾雜物1級。

2.2.2晶界氧化

樣品表層有網狀晶界氧化現象，晶界氧化深度大約29 μm，氧化級別達5級，表面形態如圖6所示。

圖6 (a)裂紋處表面形態；(b)裂紋處內氧化Fig.6 (a) surface morphology of crack；(b) internal oxidation at the crack

2.2.3金相組織

樣品滲碳層分為明顯的三層，表層為脫碳層，距表面深度約為0.04 mm，組織主要為鐵素體+塊狀碳化物；次表層組織為珠光體+網狀鐵素體+條狀或塊狀碳化物，距表面深度約為0.16 mm；第三層為滲碳層內層，組織為片狀珠光體+網狀鐵素體，距表面深度為3.4 mm。根據鐵素體網法測得滲碳層晶粒度為6級，滲碳層總深度為3.6 mm，如圖7所示。芯部組織為鐵素體+珠光體+上貝氏體，根據鐵素體網法晶粒度級別為6級，如圖8所示。

2.3 元素分布

對圖3中位置1處的裂紋源區進行能譜分析，譜圖1、譜圖2位置為疑似原始裂紋區表面，主要為O、Fe元素；譜圖3位置為較為干凈表面區域，主要為Fe元素，如圖9和表1所示。

(a)滲碳層表層；(b)滲碳層次表層；(c)滲碳層內層圖7 裂紋處金相組織(a)outer layer of carburizing layer; (b) subsurface layer of carburizing layer; (c)inner layer of carburizing layerFig.7 Microstructure of the crack

圖8 樣品芯部組織Fig.8 Microstructure of sample at the core

2.4 硬度

硬度值測試取三點平均值，滲碳層表層、次表層和內層硬度分別為155、349和 367 HV；未滲碳層芯部硬度為273 HV。

圖9 能譜分析位置Fig.9 Position for energy spectrum analysis

表1 位置1處元素分布

2.5 化學成分

在斷口附近取樣進行化學成分分析，結果如表2所示。

表2 化學成分(質量分數，%)

3 分析與討論

裂紋宏觀形貌可以看出，樣品滲碳后空冷，外表面顏色有一定程度發黃，并不是嚴重的氧化色。因此，不能簡單判斷裂紋是由于滲碳后空冷造成的氧化脫碳。

位置1的斷口掃描電鏡觀察發現裂紋始于表面，裂紋源處有嚴重的氧化脫碳，深度約0.25 mm，疑似為原始裂紋。結合能譜分析，可知此裂紋源區主要為O、Fe元素，這可能是原始裂紋在滲碳后直接空冷過程中高溫氧化所致。位置2的斷口掃描電鏡觀察發現斷口較為干凈，裂紋源處為沿晶和撕裂混合斷口。結合能譜分析，該區域主要為Fe元素，這應該為滲碳后出爐空冷過程中內應力較大造成的延伸裂紋。樣品化學成分和非金屬夾雜均符合要求，可以排除這方面因素的影響。

文獻[1-2]指出，20CrMnMo鋼制工件滲碳后空冷導致滲碳層出現不平衡的異常產物，造成次表層共析層為馬氏體，馬氏體體積膨脹使零件表面受拉應力，當組織應力超過強度極限σb時導致工件開裂。而本文對樣品的開裂部位進行金相組織觀察和能譜分析，并未發現前述文獻指出的不平衡異常產物，次表層為珠光體+網狀鐵素體+條狀或塊狀碳化物，碳化物較為嚴重，達4級。同時對滲碳層由表及里進行顯微硬度測試，次表層硬度在350 HV1左右，內層硬度在370 HV1左右，均未達到馬氏體硬度，因而次表層未出現馬氏體組織。由此可以判斷，本文發現的開裂現象與前述文獻研究有所不同。

在表層發現有一定程度的內氧化現象，這是普通氣體滲碳的常見現象，并不必然產生裂紋，但裂紋源處有嚴重的塊狀碳化物，達到4級，這是滲碳時碳勢偏高所致，在一定條件下易造成零件開裂。

滲碳后直接出爐空冷存在一定的缺陷，會產生較大的熱應力，同時會造成零件一定程度的氧化，易造成存在原始缺陷的零件開裂。

4 結論和建議

1)送檢樣品可能存在原始裂紋，在滲碳后出爐空冷過程中造成高溫氧化，在熱應力的作用下造成撕裂；

2)裂紋源處存在嚴重的塊狀碳化物，這對出現沿晶斷裂起到促進作用；

3)建議后期原材料進廠應進行超聲波探傷，滲碳時應降低碳勢，以控制碳化物形態和級別，避免出現較嚴重的塊狀、網狀等碳化物；

4)建議滲碳結束通入氮氣隨爐降溫至500 ℃以下出爐空冷，以減小空冷過程中的氧化和熱應力。