空心軸熱處理裂紋原因分析

吳玉蘭

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226007）

空心軸材料42CrNiMo，軸長(zhǎng)2.1m，內(nèi)孔Φ150mm，外圓Φ600mm。一端有法蘭，法蘭直徑Φ1.6m，厚度280mm。熱處理工藝如下：840℃加熱→空氣預(yù)冷6min→淬入水中24min后取出空冷→640℃回火。

1 硬度檢測(cè)

取橫向試樣，由管件外壁向內(nèi)表面測(cè)試其洛氏硬度值，結(jié)果如表1所示。

表1 空心軸試樣洛氏硬度測(cè)定值

硬度最低處位于距外表面18.5cm處，管壁厚度中心距表面11.0cm附近，由此可以斷定：管內(nèi)壁入水時(shí)間滯后于外表面，冷卻烈度也遠(yuǎn)低于外表面。

2 宏觀檢測(cè)

2.1 著色探傷

切取管件橫向切面，磨光后做著色探傷，結(jié)果如圖1所示，切面上除兩條裂紋外未見(jiàn)任何宏觀缺陷，也未見(jiàn)任何氫致裂紋跡象。

圖1 著色探傷

2.2 酸浸試驗(yàn)

切取厚度為5cm的管件橫向切片，分成四塊。分別按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在1∶1的鹽酸中熱浸蝕，其中兩塊有裂紋的酸浸后縮小的照片如圖2、圖3所示。從試件上可以判斷為：一般疏松1.5級(jí)，屬合格級(jí)別。因照片已縮小，無(wú)法顯示一般疏松，未見(jiàn)氫致裂紋等宏觀缺陷，這與著色探傷結(jié)果一致，可以排除原鍛件存在氫致裂紋等鍛造缺陷導(dǎo)致管件淬火開(kāi)裂的可能性。

圖2 切片1＃

圖3 切片2＃

3 理化檢驗(yàn)

3.1 金相檢驗(yàn)

管件外緣的金相組織如圖4、圖5所示。

圖4 管件外緣金相組織1（800X）

圖5 管件外緣金相組織2（800X）

組織為回火索氏體，組織極其細(xì)密（鎳的作用特別明顯），即使在放大800倍時(shí)也不易觀察到回火索氏體中碳化物析出質(zhì)點(diǎn)的形貌和分布（碳素鋼在放大500倍時(shí)就能清晰地觀察到回火索氏體中的細(xì)微質(zhì)點(diǎn)）。可以認(rèn)為外表面淬火加熱溫度適宜，冷卻速度也適中。

距管件外緣6.0cm和11.0cm處（該處接近壁厚的一半）的金相組織如圖6、圖7所示。圖6中大部分為回火索氏體組織，灰白色條狀組織是回火貝氏體，因?yàn)樨愂象w優(yōu)先于馬氏體形成，因此它貫穿原奧氏體晶粒，比馬氏體針長(zhǎng)；又因?yàn)樗旧砭陀刑蓟铮鼗鹚俣瓤煊隈R氏體，所以回火貝氏體顯得比較長(zhǎng)的同時(shí)顏色也比較淺白。

除灰白色回火貝氏體外，圖7中又出現(xiàn)淺灰色的塊狀組織，它是淬火屈氏體經(jīng)高回球?；蟮慕M織。這說(shuō)明距表面11.0cm附近冷卻速度較慢，淬火時(shí)既出現(xiàn)屈氏體又出現(xiàn)貝氏體，所以這一區(qū)域硬度較低。

圖6 距表面6.6cm處（800X）

圖7 距表面11.0cm處（800X）

管內(nèi)壁表面的金相組織如圖8、圖9所示。圖8組織中大部分為回火索氏體組織，仍可以看到少量回火貝氏體組織，但遠(yuǎn)少于管壁中心。從圖9高倍放大照片中，人們?nèi)钥梢钥吹奖桓邷鼗鼗鹎蛄；拇慊鹎象w塊。

圖8 管內(nèi)壁表面的金相組織（800X）

圖9 管內(nèi)壁表面的 金相組織（2000X）

由上面的分析可以判斷，管壁外側(cè)冷卻最快，其次是管壁內(nèi)側(cè)，距離表面11.0cm處冷卻較慢，非馬氏體組織較多。由此可以推測(cè)，距表面18.5cm處非馬氏體組織最多，硬度也最低。

3.2 化學(xué)分析

取樣作光譜分析，管件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：C 0.45%、Si 0.30%、Mn 0.75%、Cr 1.06%、Ni 0.59%、Mo 0.28%、V 0.04%、Ti 0.04%、W 0.022%、P 0.007%、S 0.001%。管材的化學(xué)成分符合42CrNiMo鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 分析結(jié)論與建議

管件基體組織大部分為回火索氏體，并且組織極其細(xì)密，說(shuō)明調(diào)質(zhì)加熱溫度適中；管件化學(xué)成分符合42CrNiMo鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。從管件硬度分布和金相組織形態(tài)可以判斷管件在淬火時(shí)，內(nèi)外壁入水時(shí)間不等同，內(nèi)外壁淬火烈度也不相同，內(nèi)壁入水時(shí)間滯后，淬火烈度也較低。這樣管件外側(cè)先形成淬火組織，體積膨脹，外徑擴(kuò)張則會(huì)對(duì)內(nèi)壁形成極大的周向張應(yīng)力，如內(nèi)壁不能同時(shí)淬火形成馬氏體，擴(kuò)大內(nèi)孔尺寸或只部分形成馬氏體同時(shí)出現(xiàn)貝氏體和淬火屈氏體，使內(nèi)壁體積的膨脹不能抵消或適度減小外壁所施加的張應(yīng)力，則內(nèi)壁必然會(huì)被外壁淬火組織形成的組織張應(yīng)力所撕裂，內(nèi)壁淬入淬火液慢于外壁或內(nèi)壁淬火烈度次于外壁都可使管件內(nèi)壁被縱向撕裂，從而形成裂紋。反之亦然。

因此，管件淬火必須遵循內(nèi)外壁同時(shí)淬入淬火液，而且淬火烈度要求相等或相近，以便內(nèi)外壁同時(shí)形成淬火馬氏體組織，而不是在內(nèi)壁出現(xiàn)非馬氏體組織，此規(guī)則應(yīng)列入熱處理操作工的操作規(guī)程中。如果內(nèi)孔直徑太小或是盲孔，建議工件在調(diào)質(zhì)后再加工內(nèi)孔。