本站之前發表過文章：為什么看《熱處理手冊》后選用油淬火42CrMo軸淬火后還斷裂？，42CrMoS4棒材感應加熱調質工藝及性能分析 這兩篇文章，網友留言說這兩篇文章都很專業。今天我們通過一個實用的案例再來研究一下：42CrMo曲軸裂紋原因分析及改進措施 希望對您有所幫助。
曲軸主要承受交變的彎曲-扭轉載荷和一定的沖擊載荷，軸頸的表面還受到磨損。若曲軸出現裂紋，在彎曲、扭轉、沖擊載荷的作用下，曲軸就會迅速斷裂；因此曲軸各部位嚴禁有裂紋存在。某類型的42CrMo鋼曲軸毛坯經調質處理，在后續曲軸磁粉探傷時，發現部分曲軸小頭出現縱向裂紋，見圖1。為了改進工藝，減少經濟損失，對該曲軸的裂紋產生的原因分析，以采取相應的措施防止此類裂紋的產生。
1.曲軸技術要求
曲軸毛坯調質后的力學性能應滿足：屈服強度≥650MPa，抗拉強度：880～1000MPa，A≥14%，Z≥40%，硬度28～34HRC，夏比V型沖擊功≥35J，顯微組織按GB/T13299 1～4級均勻回火索氏體，晶粒度按GB/T6394奧氏體晶粒度5～8級。
2.生產工藝及設備
曲軸生產工藝：下料→加熱→鍛造→切邊→校正→調質→拋丸→磁粉探傷→打磨→防銹→入庫。
調質工藝路線：設備為連續式網帶爐；870℃加熱，10%PAG介質淬150s；600℃回火后噴霧冷卻。
3.試驗材料與方法
選取上圖中有裂紋的曲軸，在其主軸中心應用直讀光譜儀Q6（COLUMBUS）分析材料化學成分，分析結果見附表。
42CrMo曲軸化學成分（質量分數）（%）
項目 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo |
標準 | 0.38～ 0.45 | 0.17～0.37 | 0.50～ 0.80 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.90～ 1.20 | 0.15～ 0.25 |
實測 | 0.44 | 0.27 | 0.70 | 0.010 | 0.010 | 1.15 | 0.20 |
在曲軸小頭裂紋處取金相樣，金相顯微鏡XJL-09BD觀察裂紋形態、金相；用洛氏硬度機測定洛氏硬度；將曲軸裂紋打開后用EVO18掃描電鏡觀察斷口形貌.
4.試驗結果與分析
（1）曲軸宏觀分析
宏觀圖1a、圖1b、圖1c失效曲軸裂紋為縱向裂紋，裂紋呈直線方式以張開型由表面向中心擴展，裂紋終止于小頭中心附近；圖1a中曲軸小頭有傷，表面不光滑，有個別鍛后曲軸毛坯在小頭處有鍛造傷,見圖1d；這些地方內應力增大，產生應力集中，淬火時可能會造成曲軸的開裂.
（2）曲軸裂紋的附近硬度
在金相樣上遠離裂紋處檢測洛氏硬度，檢測結果為30HRC、31HRC、31.5HRC、30.5HRC，硬度合格。
（3）曲軸化學成分分析
該批曲軸的化學成分與上批曲軸除C、Cr（wC=0.41%,wCr=1.01%）含量差距較大外，其他元素含量相近。一般說來，隨著馬氏體中含碳量的增加，增大了馬氏體的脆性，降低了鋼的脆斷強度，增大了淬火裂紋傾向。在含碳量增加時，熱應力影響減弱，組織應力影響增強；增加了淬火開裂傾向。合金元素增多時，鋼的導熱性降低，增大了相變的不同時性；同時合金含量增大，又強化了奧氏體，難以通過塑性變形來松弛應力，因而增大熱處理內應力，有增加淬裂的傾向。
（4）曲軸顯微組織及裂紋微觀形貌
圖2a為曲軸裂紋前端的微觀形貌。可以看到裂紋表面較寬，內部較窄，這說明裂紋從表面向內部擴展，擴展過程中裂紋無分枝，裂紋兩側不存在脫碳，組織為回火索氏體。圖2b為曲軸裂紋附近金相，為4.0級均勻回火索氏體；奧氏體晶粒度為6.5級；滿足曲軸技術條件。
將裂紋打開，對斷口進行了去氧化處理的斷口表面進行掃描電鏡分析，如圖3所示，可觀察到沿晶特征，但晶粒表面圓鈍，斷口表面呈很明顯的沿晶形貌特征。根據淬火裂紋特征，可以判斷該曲軸裂紋為淬火裂紋。取曲軸小頭（常規檢驗部位）縱截面進行非金屬夾雜物按GB/T10561評定，結果為A1.5B1.0C0D1；滿足材料標準要求。
（5）裂紋產生模型分析
該曲軸裂紋為典型的淬火裂紋中的縱裂，縱裂通常是在工件完全淬透，由組織應力造成。縱裂形成的應力-力學條件是在零件表面上的最大拉應力超過材料的斷裂強度，縱裂產生的力學模型與組織應力的原因一致，即：在淬火冷卻初期，零件表層比心部先轉變成馬氏體，隨后零件心部馬氏體相變是在外層馬氏體限制下進行的，而馬氏體相變會發生體積膨脹，于是心部金屬給外層金屬擴張作用，在外表面引起最大拉應力，如前所述，組織應力的切向應力顯著大于軸向應力，當這一應力超過材料的斷裂強度便會發生縱裂。力學模型見圖4。由于部分曲軸小頭表面存在鍛造傷，使小頭部位產生應力集中，增大了組織應力，促進了縱裂的產生；而較高的碳含量和較高的合金元素含量也增加淬裂的傾向。
5.改進措施
（1）調質前將曲軸鍛造傷打磨掉，提高表面質量，消除應力集中源。
（2）調整工藝，減小淬火時組織應力。降低淬火溫度，縮短淬火時間，減小淬火前后的曲軸的溫差，降低淬火時的組織應力和熱應力，減少開裂傾向；增大PAG介質濃度，降低介質的冷卻速度，減小組織應力，也能減小開裂傾向。
（3）關注原材料化學成分。最好控制原材料化學成分在標準要求的中限，根據原材料的化學成分，制定相應的調質工藝，若原材料中碳和合金元素含量較高，可適當降低淬火溫度，縮短淬火時間，增大介質濃度等措施減小開裂。
采取以上措施后，沒有再產生類似淬火裂紋，提高的產品的質量，減少了公司的經濟損失。
6.結語
（1）通過分析，部分曲軸小頭表面存在鍛造傷，使小頭部位產生應力集中，增大了組織應力，促進了縱裂的產生；該批42CrMo曲軸原材料含有較高的碳含量和較高的合金元素，在調質過程中，組織應力較大，增大了淬火裂紋的產生傾向。
（2）通過改善曲軸表面質量，采取更溫和的淬火，控制原材料化學成分，對特定的化學成分制定特定的調質工藝，可以杜絕此類淬火裂紋的產生。
作者：印小松、董旭剛、周兵、趙金華
單位：重慶大江杰信鍛造有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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