42CrMo大轴调质开裂原因分析

■ 张勇，卢俊玲，和永红，虎岩

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一种材料为42CrMo的大轴，在调质工序完毕后，目测发现开裂，裂纹部位在中间最大直径260mm处的两端轴肩处，裂纹圆周走向，向台阶端面及外圆延伸，深度横向30mm，纵向20mm，如图1所示。该轴本批共调质9件，经目测和着色检测共发现开裂4件，调质前尺寸如图2所示。

图 1

42CrMo材料的大轴类产品，采用水-空交替控时淬火调质工艺已有多年，属于成熟稳定的调质技术，从未出现过开裂现象。本次调质首次出现批量开裂，重量318kg/件，4件合计重量为1.3t，累计成本损失达2.4万元，给公司造成了大的财产损失，制造过程存在较严重的风险，为及时遏止此类问题再发，必须深刻分析原因并解决。

1.工艺、制造过程追溯

该轴的工艺流程为：原材料→锻造→粗车→调质→精车→感应淬火→磨成，开裂发生在调质工序，需对本工序及其之前的工序如原材料、锻造、粗车、调质工艺及过程做分析。

图2 调质前尺寸

（1）材料成分 一般情况下，调质开裂，材料成分影响大，因此为了分析开裂原因，从开裂轴的实体上取样，做材料化学成分分析，化验结果如表1所示，各元素含量均符合GB/T 3077—2015标准，且各成分均在标准含量的中限。

表1 实体轴化学成分（质量分数） （%）

（2）锻造、粗车制造过程制坯材料为中原特钢42CrMo 材料、φ280mm×6000mm圆钢锯料后锻成（见图3），成品轴最大外圆处，用φ280mm圆钢不锻打（见图4），两端台阶分别锻打到锻造工艺要求尺寸，并进行了锻后正火。

φ280mm外圆，由于操作过程中轴切肩不易切直，实际锻造最大外圆为φ300mm。

图3 所用原材料φ280mm圆钢

图4 锻造毛坯

经追溯，该轴粗车后、调质装炉前，轴表面全部加工见亮，按照正常的工艺流程，经超声波检测，未发现表面存在锻造折叠、表皮裂纹等锻造缺陷，也未发现轴内部有缺陷。因此，就目前的检测手段而言，原材料、锻造、精车工序的制造是符合技术要求的。

（3）热处理过程

首先是淬火、回火加热过程：开裂的轴分两炉次淬火，圆盘记录仪记录的加热过程是，淬火820℃保温，保温时间超差+9%，符合操作误差要求；回火650℃保温，回火时间分别超差+13.6%、+22.7%，原则上长于技术文件要求，浪费能源，但是对轴的回火充分性更有利，有利于应力的充分释放，因此，这不是开裂的原因。

其次是水温：轴开裂后，经测量正在使用的冷却循环水，淬火前温度为25～29℃，符合20～40℃的温度要求。

然后是水-空淬火过程：该轴采用水-空交替控时淬火工艺，在水、空气中交替冷却实现淬火，此批轴调质9件，分3炉装炉淬火，调查淬火过程监控视频，零件实际淬火过程如表2所示。

通过查看淬火过程监控视频，此批3炉大轴入水淬冷却时间均不符合操作指导书要求，冷却时间延长20～90s，且有2炉6件淬火过程中均未使用测温仪测返热温度，因而，最后入水冷却及终冷温度是不确定的。

2.断面形貌

从开裂位置看（见图5），该轴从φ260mm外圆一端轴肩位置沿圆周方向裂开，裂纹为刚健挺直的曲线且呈刀割状，裂纹源位于φ260mm轴端面（轴肩），从表面向里延伸10mm后裂开并趋于脱落，裂纹深度未超过淬硬层；破断面整齐且无明显塑性变形，断口匹配性较好，为典型的脆性断口形态；破断面带有红锈，为水淬过程中形成；经观察破断面，也未发现存在夹杂、夹渣等缺陷。

图5 轴开裂破断面

表2 实际淬火冷却时间

3.开裂原因分析

轴开裂部位均在中间最大直径轴肩处，呈剥落形态，通过开裂形态可以看出，此轴开裂的原因是淬火时应力过大引起，引起应力过大的原因是多方面的，包括冶金、结构、工艺等方面，主要有以下几方面的原因：

（1）各种毛坯或材料生产过程中均可能产生冶金缺陷，或将原材料的冶金缺陷遗留，最后这些缺陷在淬火时可扩展成淬火裂纹，或导致裂纹的发生。

（2）钢的含碳量和合金元素对钢的淬裂倾向有主要影响，随着含碳量的增加，增大了马氏体脆性，降低了钢的脆断强度，增大了淬火裂纹倾向，在水中淬火时，工件表面压应力变小，而中间的拉应力极大值向表面靠近；合金元素增多时，增大了相变的不同时性、增大热处理内应力，有淬裂倾向。

（3）原始组织状态对淬裂的影响很大，如片状珠光体等带状组织，最好的预备热处理组织为球状珠光体。

（4）零件尺寸和结构方面的影响。零件截面过小或过大都不易淬裂，零件的尖角、棱角等几何形状，使工件局部冷速急剧变化，增大了残余应力及开裂倾向。

（5）工艺因素的影响。主要是淬火加热温度、保温时间、冷却方式等因素对淬火裂纹倾向影响较大。包含升温速度过快、表面脱碳、过热或过烧、材料含氢、冷却等方面。

在淬火后期，发生马氏体相变，体积膨胀，易产生裂纹。

综上所述，产生淬火裂纹的原因有多方面，而通过追溯原材料、锻造、粗车、调质过程发现，材料成分合格，经锻造、正火、粗车后未发现零件表面有锻造裂纹、折叠、夹皮等锻造缺陷，调质前的超声波检测，未发现有任何冶金缺陷，而零件水-空淬火冷却时间严重超时，是造成调质开裂的原因之一，锻造的大轴虽经粗车观察，外观无缺陷，然而，锻造的实际操作过程已经不能追溯，因此，锻造过程的不确定性也是造成开裂的原因之一，究竟是淬火裂纹，还是锻造方面造成的裂纹，需进一步区别分析。

4.总结分析

钢件在冷却过程中会产生很大的热应力和组织应力，这两种应力作用在零件上时表现为压应力和拉应力，当淬火时形成的拉应力＞压应力时，极易引起淬火裂纹。钢件在冷却到马氏体开始相变温度的过程中，由于组织未变，仅产生热应力，所以钢件一般不会产生裂纹。当钢件冷却到Ms点以下、发生马氏体相变时，体积膨胀，产生第二类畸变、第二类应力及宏观的组织应力和热应力，因而易于产生淬火裂纹。因此，在Ms点以下应缓冷以获得碳浓度较低的马氏体，从而减小马氏体的正方度和组织应力，提高断裂抗力，降低钢的淬裂倾向。

大轴裂纹位于截面尺寸变化较大的位置即轴肩处，因此处形状突变，且加热和冷却速率比其他部位要高，淬火时相对易造成大的应力集中，形成拉应力，会显著增大零件开裂倾向。

从调查过程来看，实际热处理过程中水冷却时间较长，冷却速度比平时要快，这样导致马氏体转变较快，相变应力显著增大，进而使零件拉应力变大，因轴肩位置应力容易集中，故导致该零件从此发生开裂。

另外，从裂纹破断面看为典型的脆性断口，当时裂纹扩展速率较快，几乎是在瞬间完成开裂，零件开裂位置受到的拉应力应较大；裂纹刚健挺直且破断面带有红锈，因此可断定该裂纹为典型的淬火裂纹。

综上所述，42CrMo材料大轴类零件，自执行水-空交替控时淬火的工艺调质处理以来，从未发生过开裂现象，属于成熟稳定的调质技术。本次开裂，从锻造、检测、原材料、调质等过程追溯，并从开裂形态分析，得到的结论是，该轴水-空调质过程中分次冷却时间过长，冷却过激，造成淬火应力过大，是该批4件42CrMo材料的大轴开裂的主要原因，应从技术管理如过程的监督检查、监控视频的随机抽查等方法上彻底解决。