曲軸法蘭開裂失效分析

文／劉洋洋，李軍迎，吳傲宗，劉金蕾，宋國品·第一拖拉機股份有限公司鑄鍛廠

曲軸是發動機的重要零部件，工作時要承受很大的轉矩以及交變的彎曲應力，容易產生扭振、折斷及軸頸磨損，因此曲軸需要有較高的強度、沖擊韌度、疲勞強度和耐磨性。因感應淬火具有高效、節能、運行可控等優點，現已成為曲軸的主要表面強化方式之一。我廠鍛造的一批曲軸在客戶經機加工→感應淬火→磨削后在出現一定比例(約6%)的大頭法蘭處開裂，為澄清事故責任，查明開裂原因，及時采取措施進行整改，降低后續隱性質量損失，要求我廠對曲軸進行失效分析。

該曲軸材料為42CrMoH，主要制造工藝流程為：下料→鍛造→正火→調質→機加工→感應淬火→精加工→磁粉探傷→清洗。客戶在磨削加工后發現開裂，從曲軸加工工藝流程分析，原材料缺陷、鍛造折疊、調質淬火裂紋、感應淬火裂紋及磨削加工操作不當等都可能造成曲軸開裂，因此利用排除法進行排除分析。

理化檢驗

宏觀形貌

曲軸裂紋件經CDG-4000 型熒光磁粉探傷檢驗，裂紋宏觀形貌及分布如圖1 所示，裂紋為縱向裂紋，分布在曲軸大頭法蘭分模面處，長度約6mm。

表1 失效曲軸的化學成分(wt%)

圖1 曲軸裂紋宏觀照片

化學成分檢測

在開裂曲軸上進行取樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1 所示，開裂曲軸的各項化學成分均符合GB/T 5216-2014《保證淬透性結構鋼》中對42CrMoH 鋼的技術要求。

非金屬夾雜、帶狀組織及材料淬透性檢測

⑴非金屬夾雜物。

曲軸軸向取樣，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》中的ISO 評級圖評定樣塊的非金屬夾雜物，檢測微觀組織見圖2，檢測結果：A 類(細系)1.5 級，D 類(粗系)0.5 級，未發現B、C、D 類的非金屬夾雜物。材質要求A 類不大于2.5 級，D 類粗系不大于1.0 級，此曲軸材料的非金屬夾雜物符合技術要求。

⑵帶狀組織。

圖2 試樣非金屬夾雜物(100×)

圖3 帶狀組織(100×)

切取試樣加熱至880℃，保溫30分鐘后隨爐冷卻，經研磨→拋光→腐蝕后，將試樣放置在光學顯微鏡下觀察帶狀組織(圖3)，依據GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》評定級別為3 級，符合技術要求。

⑶材料淬透性。

在曲軸本體上切取試樣進行端淬試驗，按照GB/T 225-2006《鋼的淬透性末端檢測方法》和GB/T 5216-2014《保證淬透性結構鋼》對材料進行加工、試驗。檢測材料淬透性，檢測距淬火端距離J3、J5....J20 的硬度值分別為：59.5HRC、58HRC、57HRC、57HRC、56HRC、50HRC、45HRC，該檢測結果符合標準要求。

顯微組織分析

檢測試樣表面顯微組織與淬硬層一致，未見明顯二次淬火層及回火層。過渡區為鐵素體+珠光體。基體顯微組織為回火索氏體，如圖4 所示，依據GB/T 13320-2007《鋼質模鍛件金相組織評級圖及評定方法》評定級別為2 級，符合產品技術要求。

在曲軸的裂紋處垂直于裂紋取樣，用蔡司Axio Lab A1 金相顯微鏡觀察，裂紋形貌見圖5，裂紋深度約1.4mm，由表向里延伸，延伸方向與表面垂直，裂紋曲折但宏觀剛挺，呈沿晶開裂特征。試樣經4%硝酸酒精腐蝕后，顯微組織如圖5 所示，曲軸淬硬層組織為隱針馬氏體，按JB/T 9204-2008《鋼件感應淬火金相檢驗》金相評級為6 級，產品技術要求3 ～7級，符合產品要求。裂紋兩側無脫碳現象，內部未見明顯氧化物。

圖4 基體組織(500×)

淬硬層深及硬度檢測

曲軸大頭法蘭處淬硬層輪廓如圖6 所示，淬硬層輪廓均勻一致。用維氏硬度計對裂紋處表面硬度及淬硬層深進行檢測，表面硬度52 ～53HRC，淬硬層深1.7mm，淬硬層深測至42HRC，層深檢測結果見圖7。法蘭層深要求1 ～3mm，表面硬度50 ～56HRC，符合技術要求。

分析與討論

⑴曲軸的化學成分符合GB/T 5216-2014 中對42CrMoH 鋼的要求，非金屬夾雜物含量、材料淬透性也控制在正常范圍內；帶狀組織3 級，不是造成開裂的原因，曲軸材料符合要求。

⑵如果原材料有內裂紋或中心疏松等缺陷，在鍛造或熱處理過程中由于加工應力及熱應力的影響在缺陷處會產生開裂，延展到材料表面，或者材料鍛造時產生的“折疊”在調質時未發現，后續經中頻淬火后，在磨削加工時發現，這兩種裂紋形態較深且寬。同時因材料經過高溫鍛造加調質處理，在金相顯微鏡下觀察斷面，可清楚地看到裂紋兩側有脫碳層。但是此裂紋兩側未見脫碳層，且裂紋形態較細，可以排除原材料內部缺陷和鍛造折疊造成的開裂。

圖5 曲軸金相組織及裂紋形態

圖6 淬硬層輪廓

圖7 顯微硬度檢測

⑶調質工藝參數不合理造成的淬火開裂，裂紋兩側無脫碳層，但在感應淬火時會影響感應淬火硬化層的分布。無缺陷的金屬基體在感應加熱時渦流影響區均勻加熱，淬硬層較均勻。當基體有缺陷時，缺陷內部就相當于一種“磁阻”，磁力線趨向于沿基體中磁導率較高的缺陷邊界分布，缺陷邊界的磁通密度增加，從而形成一個包絡缺陷的高密度渦流區，感應淬火后缺陷末端的淬硬層較其他位置深度增加。同時調質裂紋一般在淬火過程中產生，后續在高溫回火時裂紋內部會產生明顯氧化物。通過觀察，裂紋試樣淬硬層(圖6)輪廓均勻一致，裂紋內部無明顯氧化物，結合此兩點可排除調質裂紋的可能性。

⑷磨削裂紋一般是零件在磨削加工時，因冷卻不當使零件表面的溫度高于Ac3淬火產生的微裂紋，或因將其表面快速加熱至150 ～200℃時(磨削溫度在300℃以上時，因體積再次縮小造成的磨削裂紋成龜裂特征，與此裂紋形態不符可直接排除)，表層馬氏體分解，體積縮小，而心部組織仍處于膨脹狀態，從而使表面層承受拉應力而產生與磨削方向垂直或平行的微細裂紋。磨削裂紋特征：深度較淺，一般在0.5mm以下，數量較多且密。此批曲軸裂紋數量為1 ～2 條不等。此剖檢試樣的表面未見二次淬火層和回火層，深度和數量也不符合磨削裂紋的特征，結合這兩點可排除磨削裂紋的可能性。

⑸曲軸經中頻感應加熱淬火后，軸頸形成表面受壓、中間受拉或受壓的應力分布特點，拉應力峰值位置在靠近硬化層內側處，或在硬化層結束的過渡區中，此處通常是零件失效的高發區，即感應淬火出現開裂的起始位置。失效曲軸裂紋深度1.4mm，淬硬層深度1.7mm，與此特征吻合。此裂紋曲折但整體剛挺，沿晶開裂，符合淬火裂紋特征，另外曲軸分模面是鍛造多余金屬流出形成飛邊的中心面，因表面與心部金屬流動速率不同形成的層狀結構，抗撕裂能力較差。結合以上特點，確定該曲軸裂紋應為感應淬火工藝過程中產生的。

分析形成原因

通過分析和排除因素，最終確定曲軸開裂是感應淬火工藝過程控制不當造成的，并分析其形成原因。

⑴曲軸感應淬火組織為6 級，晶粒度較細，可能因曲軸加熱功率高，加熱速度快造成溫度梯度大，淬火層中的過渡層較小，拉應力峰值較大且接近表面硬化層，當淬火應力超出材料強度時造成開裂。

⑵曲軸淬火后未能及時回火或回火不充分，淬火殘余應力過大，感應淬火后出現延遲裂紋。

改進意見

⑴適當降低加熱功率，提高加熱時間，降低溫度梯度，增加淬硬層深，使拉應力峰值向中心移動，峰值降低，降低淬火應力開裂風險。

⑵曲軸感應淬火后應及時進行回火并適當延長回火時間，使淬火殘余應力充分釋放，防止產生延遲裂紋。

⑶適當提高淬火介質濃度并定期檢測介質的有效性，或選用更優質的淬火介質，減緩Ms點以下的冷卻速度，防止開裂。