27SiMn鋼淬火裂紋分析
近期，單位某零件在熱處理過程中出現批量淬火裂紋，報廢比例達20%之高。零件的材質為27SiMn，采用的熱處理工藝為480℃預熱（30min）+（900±10）℃×15min鹽浴加熱循環水冷+500℃回火。本文對零件的淬火裂紋原因進行了理化分析，提出了解決方案，并在隨后的生產中取得了良好的效果。
1.理化分析
（1）宏觀觀察
如圖1所示，通過對熱處理報廢的零件進行觀察，發現零件所有的淬火裂紋均出現在零件內孔或附近，在宏觀狀態下，裂紋沿零件的內孔徑向呈蜿蜒的小鋸齒狀前進，長達幾毫米至十幾毫米不等，沿軸向方向深度2～5mm，一般每個零件都有數道裂紋。
（2）化學成分檢測
將開裂的零件取樣進行化學成分檢測，檢測結果如表1所示，其化學成分符合GB/T 3077-1999《合金結構鋼的化學成分與力學性能》。
表1 27SiMn鋼零件化學成分（質量分數） （%）
化學元素 | C | Si | Mn | P | S |
GB/T 3077 | 0.24～0.32 | 1.10～1.40 | 1.10～1.40 | ≤0.35 | ≤0.35 |
檢測結果 | 0.32 | 1.24 | 1.25 | 0.019 | 0.005 |
（3）金相分析
在零件裂紋部位取樣進行金相觀察。如圖2所示，在金相顯微鏡下，可明顯觀察到裂紋沿晶界蜿蜒曲折前進；裂紋兩側未發現脫碳氧化現象，應是在淬火過程中產生的裂紋；裂紋沿晶界開裂，應屬沿晶斷裂；裂紋尾端及兩側存在數量較多的白色網狀組織，經顯微硬度檢測為312HV，可以斷定白色網狀組織為網狀鐵素體組織。晶粒內部為回火索氏體組織及少量的羽狀上貝氏體組織。
在淬裂的零件心部取樣進行金相觀察，如圖3所示，零件的基體組織為回火索氏體組織+白色網狀組織和少量的上貝氏體組織。對白色網狀組織進行顯微硬度檢測，其顯微硬度值在300HV左右，可判斷為其為網狀鐵素體組織。
2.討論
鋼鐵材料在淬火狀態下，鐵素體組織存在的形式一般有兩種：
第一種形式，亞溫狀態下淬火或正常溫度淬火但保溫時間很短時，鐵素體組織由于未完全轉變成奧氏體或者來不及轉變而在隨后的淬火冷卻中而保留下來，其形態在晶界或晶粒內部呈塊狀或半月牙狀；第二種形式，正常溫度淬火，但冷卻時由于高溫冷速緩慢，鐵素體組織會優先在晶界呈網狀析出。
鐵素體組織在基體組織中存在形式的不同對材料的性能有很大影響，第一種形式，鐵素體組織由于未完全奧氏體化而在基體組織中的晶界或晶粒內部呈塊狀或半月牙狀分布，一般來說，對于緩解淬火應力、減少淬火裂紋、改善低溫脆性具有較好的效果，原因在于馬氏體相變時所產生的組織應力和相變應力會由于鐵素體組織的良好塑形得到很大程度緩解，加之鐵素體組織呈塊狀或半月牙狀分布于晶界上，可溶解較多的S、P等痕跡元素，對于消除可逆回火脆性、改善鋼的冷脆性有明顯效果。
第二種形式，鐵素體組織由于在淬火過程中高溫冷速過緩，造成鐵素體組織率先呈網狀沿晶界析出分布，此種組織形態對于鋼的機械性能影響很大，會大大降低材料的沖擊韌性、提高淬火裂紋的發生概率。原因在于鐵素體組織呈網狀分布于晶界，由于鐵素體組織強度低，可固溶較多的痕跡元素，大大弱化了晶界強度，降低沖擊韌性，淬火時一旦材料的組織應力和相變應力過大，裂紋將優先在網狀鐵素體所在的晶界形核，并沿晶界蜿蜒開裂，造成質量事故。
本文中，淬裂的零件的裂紋部位均出現在內孔處。從淬裂零件的金相組織可以明顯地觀察到，其存在數量較多的網狀鐵素體組織，且裂紋沿晶界曲折蜿蜒裂開，這說明零件在淬火冷卻過程中出了問題。從上面的理化檢測可以看出，27SiMn鋼的合金元素，尤其是碳含量偏上限，因此淬透性較好；一般情況下，27SiMn鋼的臨界直徑，在20℃靜水中可達38mm，而零件的有效厚度為13mm，因此在正常狀態下，零件在水中能夠完全淬透，熱處理后的正常金相組織應為回火索氏體組織，但是從圖2和圖3的金相組織觀察來看，組織中出現數量較多的網狀鐵素體組織及少量的上貝氏體組織，這是不正常的。
零件的淬火介質為循環自來水。水的冷卻性能對溫度非常敏感，水溫高于40℃時，冷卻性能會大幅下降，其在高溫區（500～700℃）的冷卻能力急劇下降，而在低溫馬氏體相變區（200～350℃）的低溫冷卻能力下降較少，這一點可以從圖4中看出。這樣極易造成的后果是：零件在高溫區冷卻緩慢，導致奧氏體組織首先轉化成鐵素體組織并呈網狀分布在晶界上，弱化晶界；而在低溫區冷速過快，奧氏體轉變成馬氏體組織，組織應力過大。
筆者通過現場調查走訪，鹽浴爐的控溫系統正常，熱電偶檢測精度合格，但發現零件在熱處理過程中存在3個問題：第一、淬火水槽節門損壞，淬火水槽的循環水更換不暢；第二、鹽浴爐主電極的流動冷卻水（水溫較高）直接流到淬火水槽中，造成淬火水槽的水溫較高；第三、零件在實際淬火時，每爐淬火間隔的時間較短，且水槽容積較小，水槽里自來水的更新速度不及時。以上三個因素導致零件在淬火時水溫過高，根據調查推斷水溫可在50～60℃。由此可以判斷得出，水溫過高導致水在零件高溫區的冷卻性能大幅下降，零件淬火后，鐵素體組織呈網狀在晶界上分布，造成晶界強度急劇下降，而低溫冷卻性能卻變化不大，導致在低溫區馬氏體轉變時冷速過快，拉應力過大，裂紋沿晶界開裂。
另外，零件的形狀及淬火方式對材料產生裂紋也起到了一定的作用。零件形狀較為復雜，其采用鹽浴爐加熱，淬火夾具從內孔處穿過，零件呈豎排狀裝夾，如圖5所示。每一夾具裝卡零件的數量較多，夾具較長，采用行車淬火時，由于行車速度限制，零件淬火時夾具入水較慢，使得零件之間及單個零件不同部位的冷卻速度不同；同時，由于淬火夾具從零件的內孔處穿過，致使內孔流水不暢（零件的內孔直徑為16mm），造成內孔冷速緩慢；還有，如圖5所示，零件入水時，位置1首先冷卻，而位置2由于其凹處兜空氣，使得此處及其位置3處的內孔冷卻更慢。
內孔冷卻緩慢會導致其部位更容易析出網住鐵素體組織，弱化晶界，還使其在高溫區冷卻產生的殘余熱應力值相對較小，而在低溫的馬氏體相變區域內冷卻產生的組織應力很大，兩者疊加會造成內孔表面呈現很大的拉應力狀態，當拉應力值超過其抗拉強度，會在內孔處造成裂紋。
3.結論及改進措施
（1）零件的形狀及其淬火方式導致其內孔冷速緩慢，在內孔處產生較大的拉應力。
（2）零件在淬火過程中，由于淬火水槽節門損壞等原因，造成流水不暢，水溫升高，使水的冷卻性能大幅下降，鐵素體組織呈網狀分布于晶界上，造成晶界強度急劇下降，在殘余拉應力作用下，裂紋沿晶斷裂。
為了驗證上述判斷，筆者將水槽節門修好，在零件（同一批材料）下一批次試生產中，將淬火水溫控制在30℃以內，并加大攪拌力度，結果零件淬裂率大大降低，低于1‰，驗證了上述判斷的正確性。
文/李鵬輝，凌云集團河北太行機械工業有限公司。
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