45鋼齒條裂紋原因分析

趙賀楠， 劉年富

（寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

45鋼齒條裂紋原因分析

趙賀楠， 劉年富

（寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司， 廣東 韶關(guān) 512123）

采用ARL3460直讀光譜儀、金相顯微鏡和掃描電鏡及能譜儀對(duì)45圓鋼齒條裂紋樣進(jìn)行分析。由化學(xué)成分及組織分析結(jié)果表明，齒條裂紋屬于沿原奧氏體晶界形成的沿晶裂紋，是在加工熱處理過(guò)程中由于淬火工藝不當(dāng)產(chǎn)生的淬火內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而形成的沿晶裂紋。由此得出結(jié)論：要生產(chǎn)質(zhì)量合格的齒條，應(yīng)合理地控制好淬火溫度并嚴(yán)格控制好保溫時(shí)間和冷卻速度。

齒條 淬火 內(nèi)應(yīng)力 沿晶裂紋

45鋼被廣泛用于汽車、建筑、造船、石化、機(jī)械、航天等領(lǐng)域，是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械零件加工材料。45鋼是常用于制造齒條的一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強(qiáng)度、一定的塑韌性，切削加工性能良好，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較好的綜合力學(xué)性能。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于各種因素的影響，使得45鋼零件經(jīng)淬火后，容易產(chǎn)生不同程度的淬火裂紋［1］。

某公司在用45圓鋼加工齒條時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖1所示。齒條生產(chǎn)流程為：原材料驗(yàn)收—軋頭—拋丸—冷拉—切頭—調(diào)質(zhì)—矯直—長(zhǎng)磨—滾光—下料—鉆深孔—車兩端內(nèi)外形—車雙槽—鉆孔—攻兩端螺紋。為了找出裂紋產(chǎn)生的原因，采用光譜、金相顯微鏡和掃描電鏡及能譜儀對(duì)裂紋樣進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 檢驗(yàn)結(jié)果

1.1 宏觀形貌

齒條裂紋宏觀形貌如圖1所示，裂紋產(chǎn)生在齒條的齒根部位，沿軸向分布，如圖1-2所示。在齒條的裂紋處橫向取樣，其裂紋形貌如圖1-1所示，對(duì)試樣的裂紋處進(jìn)行化學(xué)成分及組織等分析。

圖1 齒條裂紋形貌

1.2 化學(xué)成分

使用ARL3460直讀光譜儀對(duì)試樣的裂紋附近位置進(jìn)行光譜檢測(cè)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 45鋼化學(xué)成分 %

由表1中的檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，該45鋼齒條的材質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的成分要求，特別是有害雜質(zhì)元素硫和磷的含量沒(méi)有超標(biāo)，在正常使用狀態(tài)下不會(huì)造成材料的脆性增大［2］。成分分析結(jié)果表明，試樣裂紋開(kāi)裂處無(wú)成分異常。

1.3 高倍組織分析

該齒條裂紋沿軸向分布。在齒條的裂紋處取樣，對(duì)橫截面進(jìn)行組織分析，其組織見(jiàn)下頁(yè)圖2。

試樣經(jīng)拋光后在顯微鏡下橫向觀察，如圖2-1、2-2所示，發(fā)現(xiàn)該裂紋彎曲并向內(nèi)延伸，裂紋內(nèi)及附近無(wú)夾雜物存在。試樣經(jīng)腐蝕后，在顯微鏡下觀察其金相組織，如圖2-3、2-4所示，裂紋處組織與基體組織一致，未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象，其基體組織為回火索氏體。

將齒條產(chǎn)生的裂紋金相組織形成全形貌圖，如下頁(yè)圖3所示。由圖3可以看出，鋼材表面位置（齒根位置）裂紋開(kāi)口較寬，鋼材心部位置裂紋呈尖狀。

1.4 斷口形貌

該齒條裂紋沿軸向分布，由表面向內(nèi)部發(fā)展。在裂紋處進(jìn)行橫向取樣，將試樣沿裂紋處人工打斷，試樣斷口的顏色呈暗灰色。經(jīng)掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)原始裂紋斷口形貌為冰糖狀斷口，均發(fā)生在齒根底部（即橫截面上最薄弱的部位），是典型的脆性沿晶斷裂特征，如圖4-1所示。而人為打斷處試樣斷口形貌為正常的韌窩，是塑性斷裂，如圖4-2所示。

圖2 齒條裂紋處高倍組織

圖3 齒條裂紋全貌圖

圖4 試樣斷口形貌

1.5 能譜分析

對(duì)齒條試樣裂紋處的組織進(jìn)行能譜分析，見(jiàn)圖5。能譜分析表明裂紋處主要成分為C、Mn、Fe，為圓鋼基體的成分，未發(fā)現(xiàn)其他異常元素。分析結(jié)果表明，齒條的材質(zhì)未見(jiàn)異常。

2 分析與討論

當(dāng)金屬或合金材料的晶界為顯微組織中最薄弱部分的時(shí)候，會(huì)發(fā)生沿晶斷裂。沿晶斷口又分為脆性沿晶斷口和韌性沿晶斷口。韌性沿晶斷裂是指由于優(yōu)先沿晶界成核和連續(xù)的顯微韌窩所造成的在斷口上可觀察到的沿晶界分布的顯微韌窩。韌性沿晶斷裂的過(guò)程發(fā)生較大的塑性變形，與韌性斷裂很相似。脆性沿晶斷裂是由于在晶界上形成脆性相、回火脆性、淬裂等原因產(chǎn)生的，這種過(guò)程沒(méi)有明顯的塑性形變，斷口顯示出“冰糖”、“綢緞狀”、“石狀”等微觀特征［3］。如果熱處理工藝（淬火溫度865℃、回火溫度560℃）不當(dāng)，造成淬火內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，使得晶界被弱化成為裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先通道，材料就會(huì)發(fā)生沿晶斷裂。由缺陷試樣的斷口（如圖4-1所示）上出現(xiàn)的沿晶裂紋及熱處理工藝可以判定該裂紋缺陷屬于淬火內(nèi)應(yīng)力過(guò)大引起的沿原奧氏體晶界形成的沿晶裂紋。

圖5 原始裂紋斷口形貌及能譜

3 結(jié)論

1）成分、組織、斷口形貌及能譜分析結(jié)果表明，齒條的材質(zhì)未見(jiàn)異常，說(shuō)明材質(zhì)狀況良好。

2）分析結(jié)果表明，裂紋屬于沿原奧氏體晶界形成的沿晶裂紋，是由于淬火內(nèi)應(yīng)力過(guò)大引起的淬火裂紋。應(yīng)合理地控制好淬火溫度并嚴(yán)格控制好保溫時(shí)間和冷卻速度。

［1］ 李鵬志，齊紅梅.45鋼軸類零件淬火裂紋形成原因及預(yù)防措施［J］.河北工業(yè)科技，2008，25（3）：153-155.

［2］ 高為國(guó).機(jī)械工程材料［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011：125.

［3］ 姜錫山，趙晗.鋼鐵顯微斷口速查手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：52.

（編輯：胡玉香）Crack Analysis for Racks of Grade 45

ZHAO Henan，LIU Nianfu
（Baosteel Special Steel Shaoguan Co.，Ltd.，Shaoguan Guangdong 512123）

Racks of grade 45 in production were analyzed by ARL3460 direct-reading spectrometer、metallographic microscope、SEM and EDS.The analysis of chemical composition and organization shows that rack crack is intergranular crack.Crack is caused by excessive internal stress in heating process.The results show that controlling hardening heat reasonably，soaking time and cooling speed can product racks with better quality.

rack，quenching，internal stress，intergranular crack

TG115.21

A

1672-1152（2016）05-0019-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.07

2016-08-15

趙賀楠（1989—），女，畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)，工學(xué)碩士，特鋼產(chǎn)品工程師。