汽车半轴套管用锁紧螺母调质开裂失效分析

■ 焦东风，金林奎，赵建国，王春亮

1. 概述说明

（1）汽车用半轴套管锁紧螺母的加工，原工艺采用圆钢下料锻造。首先在高速汽锤上进行镦粗压扁，镦粗的锻造比达Y=H0/H1=10，而且锻件变形速度太快，易产生平面周向折叠。由于螺母厚度太薄，锻坯只有10mm左右，终锻温度难以控制。在后序冲孔和整形时，温度偏低延展性不足，易形成边角开裂。造成折叠和开裂的废品率高达25%左右。

（2）为了避免锻造加工的缺陷，改进后的锁紧螺母加工工艺，采用45钢热轧无缝钢管，锯床下料。这样可以节省材料，减少工序，同时避免锻造裂纹。近期的螺母产品经调质处理，机加工后发现工件表面开裂现象比较严重。螺母外平面形成整体的周向裂纹，以及数条径向裂纹，废品率高达10%。

（3）目测螺母失效件（见图1）表面，裂纹主要呈周向开裂，裂纹几乎延伸至整个工件外平面。图1上部有一条垂直于外圆的径向裂纹，裂纹上端没有贯穿外表面，下端没有与径向裂纹相连接，初步推断为内裂纹，内裂纹的产生与内部组织缺陷有关。图1下部有一条人字形分叉裂纹，人字形裂纹的顶端与外圆表面相连接，形成开口裂纹。

2. 过程检验

（1）截取原材料尺寸为25mm×25mm×15mm（长×宽×厚）的样块，进行化学成分检测，检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪。检查结果（见附表）表明，化学成分符合材料标准要求。

（2）金相检测，人字形裂纹的顶端，与外圆表面形成开口裂纹，且裂纹两侧有明显的氧化脱碳层（见图2），氧化脱碳层深度达0.35mm。从图2看，近表层处裂纹间隙呈深黑色，裂纹内氧化物较少。裂纹下部间隙内充满高温氧化物。裂纹附近为调质处理的索氏体组织。靠近裂纹两侧，铁素体基体上的颗粒状碳化物较少，属于含碳量低于正常基体组织的氧化脱碳层。

（3）裂纹的扩展为曲折状沿晶开裂，裂纹尾部呈分叉状，裂纹四周同样布满较深的脱碳层。存在较深脱碳层的裂纹，可以确定是在淬火之前形成的，因为调质处理的加热过程，使裂纹两侧氧化脱碳（见图3）。在径向裂纹的垂直部位取样检查，裂纹仍然是曲折状沿晶扩展，但裂纹两侧无氧化脱碳现象，这种裂纹属于调质处理过程中淬火产生的裂纹。在裂纹的附近，可见原始的晶粒异常粗大，晶粒度达1～2级。这种粗大组织，是原材料轧制时温度过高、晶粒急剧长大造成的，且晶粒呈现轧制拉长的形态（见图4）。

图1 螺母表面裂纹（实物）

图2 裂纹端面脱碳层（400×）

45钢原材料化学成分的检查结果（质量分数） （%）

（4）对原材料轧制组织进一步观察，失效件近表层处晶粒极粗大，且晶粒变形倾向较严重，呈扁平状，晶粒平均直径为0.35μm，晶粒度达0级；失效件心部的晶粒仍然粗大，变形呈椭圆状，晶粒平均直径为0.20μm，晶粒度达1.5级。正常晶粒的平均直径在0.02～0.06μm之间，晶粒度为5～8级。晶粒度≤3级时属于过热组织。晶粒度在0～1.5级之间，已经长大为严重的过热组织晶粒（见图5、图6）。这种现象表明原材料在轧制时，加热温度过高，晶粒急剧长大，晶界宽化，此时的晶间结合力显著降低。金相组织显示，晶粒变形现象严重，表明原材料轧制的终轧温度过低，组织不能回复再结晶。组织间存在较大的锻造应力，工件在后序加工及热处理时，极易造成变形和开裂。

（5）在人字形裂纹的中部，裂纹周围的脱碳层较严重，脱碳层深度达0.40mm。在脱碳层处，铁素体基体呈较粗的等轴晶粒。这种较粗的等轴铁素体（见图7）晶粒，表明组织经过一次奥氏体化温度加热的氧化脱碳，但加热温度应在1000℃以下。如果加热温度超过1000℃，甚至在1200℃以上，该脱碳层的铁素体晶粒就会形成长条状的柱状晶，因此该裂纹不会是轧制开裂的裂纹。该裂纹不是轧制开裂的另一个理由是，如果该裂纹在轧制时开裂，那么调质后裂纹周围脱碳层内的铁素体晶粒应为细小等轴状。因为铁素体晶粒在轧制的高温下，首先形成柱状晶，然后在调质处理的加热过程中，铁素体晶粒经过二次重结晶，柱状晶完全奥氏体化，然后重新结晶，转变为细小等轴状的晶粒。由此表明，出现这种较粗等轴状铁素体晶粒的裂纹，应是在轧制之后淬火之前形成的。从脱碳层严重程度看，该裂纹应是在调质处理加热初期产生的。由此推断，可能为调质处理加热初期热应力产生的裂纹；也有可能是原材料轧制时即存应力集中裂纹；或者为原材料下料后应力释放产生的裂纹。但是有一点可以确定，在1200℃左右的高温轧制过程中没有产生这种裂纹。该裂纹是在原材料轧制以后，由于终轧温度过低，组织没有回复再结晶，变形的晶粒没有及时回复，应力没有得到消除，在后序机加工及热处理时，应力释放及叠加产生的裂纹。在裂纹附近，分布有大量断续条状的浅灰色非金属夹杂物（见图8）。从形状和特征判断，该非金属夹杂物属于低熔点的硫化物夹杂。它的存在显著降低了材料的强度，进一步增加材料的应力开裂倾向。

图4 裂纹周围无脱碳层（100×）

图5 表层粗大晶粒（100×）

图6 心部粗大晶粒（100×）

图7 较粗等轴铁素体（400×）

图8 条状非金属夹杂物（400×）

3. 分析改进

（1）汽车用半轴套管锁紧螺母的表面裂纹，是原材料轧制之后，机加工及热处理过程中产生的。产生裂纹的影响因素包括钢管原材料轧制始轧温度过高；终轧温度过低；原材料非金属夹杂物超标。①原材料轧制始轧温度过高，晶粒急剧长大，晶界弱化，晶间结合力显著降低，极易造成应力开裂。②原材料轧制终轧温度过低，组织无法回复再结晶，原始晶粒严重变形，原材料轧制应力很大且无法消除。这种情况下，原材料钢管放置时间越长，轧制应力在晶界等缺陷处集中越严重，越易沿粗大晶粒的晶界处产生裂纹。③原材料钢管用锯床下料后，在粗大晶粒开口处，原始轧制应力得到释放，极易形成边角开裂。④工件在调质处理加热时，原始轧制应力与加热过程中产生的热应力叠加，增加工件的开裂倾向。⑤工件在淬火时产生的组织应力，超过原始粗大组织的晶间结合力，使工件产生开裂。⑥原材料中非金属夹杂物超标，材料的强度降低，脆性增大，进一步增加后序机加工及热处理开裂倾向。

（2）正是由于不规范的原材料轧制加工工艺，给后序机加工及热处理带来诸多开裂的隐患。出现上述轧制缺陷的钢管，原材料制造厂家应及时进行去应力退火或高温回火处理，以便消除轧制应力，防止钢管原材料在后序加工中产生裂纹。同时也要降低材料组织中的非金属夹杂物，保证原材料的组织和性能要求。