20CrMnTiH軸矯直斷裂預防

西安法士特汽車傳動公司 （710077) 孫銀軍 徐 燊 崔 鼎

我廠一中間軸產(chǎn)品，使用20CrMnTiH材質(zhì)生產(chǎn)，在矯直過程中多個批次個別產(chǎn)品發(fā)生斷裂，小部分產(chǎn)品矯直困難，需要加熱輔助，產(chǎn)品一次矯直率僅為75%。為此，在機加工過程加大了鍵槽過渡圓角，避免應(yīng)力集中；另外，重新設(shè)計熱處理淬火程序，保證了中高溫冷速，降低了低溫冷速。試驗結(jié)果達到預期目標，產(chǎn)品一次矯直率提高到96%，矯直過程再無斷裂發(fā)生。

1.試驗材料與斷口分析

材料20CrMnTiH化學成分見表1。產(chǎn)品材質(zhì)按GB/T4336檢測，檢測設(shè)備用直讀光譜儀。失效產(chǎn)品斷口檢測分析見圖1、圖2。

表1 20CrMnTiH鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖1 斷口宏觀照片

圖2 微觀斷口照片

圖1 宏觀斷口：軸的斷裂部位發(fā)生在軸頸處（鍵槽），斷為兩截，斷裂面垂直于軸線方向，斷口新鮮。在6.5×體式顯微鏡下觀察，斷裂源區(qū)是細瓷狀斷口，其余為粗大的放射狀斷口，是一次性脆性彎曲斷裂特征。

圖2微觀斷口：用掃描電鏡對斷口進行微觀分析，軸表面斷裂源區(qū)為細瓷狀斷口，其余部位為解理斷裂特征，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜等異常現(xiàn)象。

由此可見，材料成分和熱處理質(zhì)量符合相關(guān)技術(shù)要求。材料受力后發(fā)生斷裂破壞主要受材料特性和應(yīng)力狀態(tài)的影響。材料應(yīng)控制缺陷，減少微觀缺陷集中，產(chǎn)品減少應(yīng)力集中。軸矯直斷裂是由于彎曲應(yīng)力大于其受能承受的最大應(yīng)力，矯直困難是由于軸剛度較大，無塑性變形應(yīng)力釋放困難。斷口分析表明斷裂源區(qū)發(fā)生在軸的表面，有明顯的解理斷裂特征，當個別變形較大的軸在矯直時，載荷超過危險截面所能承受的最大載荷，發(fā)生一次脆性彎曲斷裂。

2.試驗方法

軸類產(chǎn)品在熱處理后進行矯直是一個很關(guān)鍵的過程，矯直過程很可能產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展引起軸斷裂，矯直后的產(chǎn)品需要進行無損檢測，防止裂紋引起產(chǎn)品斷裂失效。由于高淬透性材料心部硬度普遍較高，脆性大、塑韌性小，矯直過程困難。矯直力小軸，彎曲不易矯直；矯直力大，軸易脆性斷裂。

產(chǎn)品的對稱性影響軸的變形趨勢，加熱和冷卻均勻性影響軸變形的大小。故而產(chǎn)品外形和熱處理設(shè)備一定，加熱過程均勻性不變的情況下，軸彎曲變形的趨勢無法改變，只能通過調(diào)整淬火冷卻過程減少軸的彎曲變形量。

設(shè)計新的淬火程序，淬火時蒸汽膜階段和沸騰階段需要有足夠的冷卻能力。蒸汽膜要盡早破裂，以保證表面非馬氏體符合標準要求，充足的中高溫冷卻能力保證零件的表面硬度、淬硬硬化層深符合圖樣要求，降低低溫階段冷速，有效降低組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力。通過分段式淬火程序，在保證產(chǎn)品金相質(zhì)量的前提下，降低心部硬度梯度，減少其彎曲變形傾向；減少馬氏體轉(zhuǎn)變量，降低心部硬度，減少彈性變形，增加塑性變形，利于后期矯直。

使用設(shè)備為AICHELIN環(huán)形連續(xù)爐，基礎(chǔ)氣氛為氮、甲醇，富化氣為丙酮。在920℃，1.20%滲碳，好富頓G油淬火，豎直放置，滿盤備料。不同批次隨機抽樣，其檢測結(jié)果如表2所示。

表2 檢測結(jié)果

3.試驗結(jié)果與分析

從隨機檢測結(jié)果看，各項金相檢測指標達到了試驗預期目標，心部硬度普遍有所降低，且符合圖樣要求。對后期矯直工序進行了多個批次跟蹤，其變形情況見圖3，可以看出改善后產(chǎn)品的總體變形量呈下降趨勢。

圖3 產(chǎn)品彎曲變形量

（1）改善前總計跟蹤4批次121件，累積變形量達到19mm，平均變形量0.16mm。

（2）改善后總計跟蹤4批次129件，累積變形量為17mm，平均變形量0.13mm。

（3）累計變形量降低10.5%，平均變形量降低18.8%。

（4）變形量在0.15mm以下的產(chǎn)品從50%提高到70%。

產(chǎn)品矯直情況如下：此中間軸產(chǎn)品一次矯直率由原75%提高到96%，部分產(chǎn)品矯直次數(shù)由原來最大7次降低到最大3次。

調(diào)整后產(chǎn)品彎曲變形量降低，一次矯直率提高，減少了熱校輔助，連續(xù)生產(chǎn)一年無斷裂發(fā)生。由于熱處理裝爐生產(chǎn)的特點，總有部分位置加熱和冷卻過程中的狀態(tài)較差，導致產(chǎn)品變形量也較大，但是產(chǎn)品的總體變形趨勢得到改善，變形量在0.15mm以下的產(chǎn)品比重明顯提高，達到預期目標。

（20121204）