40Cr軸超聲探傷不合格原因分析

何健楠，廖卓文，楊雄強(qiáng)，王銀國，何永杰

(寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

40Cr屬于中碳低合金鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性，通常用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機(jī)械零件，如汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸以及機(jī)床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等[1-2]。

軸類零件主要用來支承傳動零部件、傳遞扭矩和承受載荷。軸類零件是旋轉(zhuǎn)體零件，其長度大于直徑，一般由同心軸的外圓柱面、圓錐面、內(nèi)孔和螺紋及相應(yīng)的端面所組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀的不同，軸類零件可分為光軸、階梯軸、空心軸和曲軸等。某廠將直徑φ140 mm的40Cr圓棒加工成直徑φ110 mm的軸，加工工藝為：下料→加工→加熱(850 ℃)→鹽水淬火→超聲探傷。依據(jù)GB/T 4162的A級標(biāo)準(zhǔn)對40Cr軸進(jìn)行超聲探傷時，發(fā)現(xiàn)40C軸端部超聲不合格。

1 試驗方法

1.1 取樣

觀察40Cr軸超聲探傷不合格端部區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。在端部取100 mm×80 mm×90 mm的水浸高頻超聲探傷C掃方形試塊1塊、端面1/4處取化學(xué)成分分析試樣1塊，見圖1。

圖1 取樣位置Fig.1 Sampling location

1.2 化學(xué)成分分析

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)方法)》和GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》對碳、硅、錳、磷、硫、鉻等元素含量進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表1。材料化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 高頻探傷分析

對100 mm×80 mm×90 mm試塊平行于軋制方向的4個平面進(jìn)行表面加工，經(jīng)過銑削、磨削加工后，表面光潔度Ra達(dá)到0.1 μm，符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM E588—03 《用超聲波法檢測優(yōu)質(zhì)軸承鋼中大塊夾雜物的準(zhǔn)實施規(guī)范》對檢測試樣表面光潔度要求。

根據(jù)ASTM E588標(biāo)準(zhǔn)用方形試塊上深13.5 mm、直徑未φ0.4 mm的平底孔在水浸高頻超聲探傷C掃設(shè)備上對10 MHz聚焦探頭進(jìn)行靈敏度校驗后，再在校驗增益基礎(chǔ)上增加16 dB增益，對40Cr軸方形試塊平行于軋制方向的平面進(jìn)行螺旋軌跡掃查。掃查結(jié)果發(fā)現(xiàn)軸端部試塊偏中心區(qū)域存在缺陷，缺陷距端面11 mm、沿軋制方向長度4.25 mm，缺陷水浸高頻超聲探傷C掃查結(jié)果，如圖2所示。

圖2 軸端部掃查結(jié)果Fig.2 Scanning results of shaft end

1.4 組織分析

采用線切割設(shè)備沿缺陷中心截取金相試樣，觀察裂紋橫截面顯微組織。發(fā)現(xiàn)缺陷處存在近似平行于水浸探傷掃查面的裂紋，裂紋中間區(qū)域較寬、兩端沿表面延伸逐漸變細(xì)，呈鋸齒狀，裂紋內(nèi)及周圍無異常非金屬夾雜物及氧化質(zhì)點(diǎn)，見圖3(a)；裂紋兩端部鋸齒狀明顯，且存在細(xì)沿晶界分叉，見圖3(b)；擴(kuò)展處的裂紋兩側(cè)存在二次裂紋，見圖3(c)。采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，裂紋處未發(fā)現(xiàn)氧化、脫碳、非金屬夾雜物，裂紋處組織與基體組織存在明顯差異，裂紋處組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，基體組織為珠光體+貝氏體+鐵素體，見圖4。

(a)裂紋擴(kuò)展形貌；(b)裂紋末端形貌；(c)二次裂紋末端形貌圖3 裂紋橫向形貌(a) crack propagation morphology；(b) crack end morphology；(c) secondary crack end morphologyFig.3 Transverse morphology of crack

(a)裂紋處；(b)基體圖4 裂紋橫向金相組織(a) crack; (b) matrixFig.4 Microstructure of transverse crack

在裂紋處截取縱向金相試樣，裂紋呈鋸齒狀沿軋制方向分布，裂紋兩側(cè)及周圍無非金屬夾雜物及氧化質(zhì)點(diǎn)，如圖5所示。采用4%硝酸酒精溶液腐蝕，裂紋處組織與基體組織存在明顯差異，裂紋處組織存在明顯偏析現(xiàn)象，組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，如圖6(a)和6(b)所示；基體組織為珠光體+貝氏體+鐵素體，如圖6(c)所示。

圖5 裂紋縱向形貌Fig.5 Longitudinal morphology of crack

(a)裂紋處偏析；(b)裂紋處；(c)基體圖6 裂紋縱向金相組織(a) degregation at crack; (b) crack; (c) matrixFig.6 Microstructure of longitudinal crack

1.5 斷口分析

采用液壓斷口機(jī)折斷試樣，觀察縱向斷口裂紋形貌。斷口裂紋區(qū)域近似三角形，沿軋制方向、徑向同時擴(kuò)展，如圖7所示。裂紋斷口中心區(qū)域呈沿晶斷裂形貌，斷口上無異常夾雜物及其他缺陷；試樣折斷撕裂區(qū)域斷口呈準(zhǔn)解離形貌，如圖8所示。

圖7 斷口宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of fracture

(a)斷口中心區(qū)；(b)撕裂區(qū)圖8 斷口形貌(a) fracture center area; (b) tear areaFig.8 Fracture morphology

2 分析與討論

40Cr軸的化學(xué)成分滿足技術(shù)條件要求；裂紋內(nèi)及兩側(cè)未見非金屬夾雜物、脫碳、氧化質(zhì)點(diǎn)，可排除原材料導(dǎo)致裂紋的可能性[3-4]。裂紋呈鋸齒狀由心部向徑向和軸向延伸，斷口呈沿晶斷裂形貌，并存在細(xì)沿晶界分叉、二次裂紋，說明裂紋為典型淬火裂紋[5-7]。

40Cr軸零件直徑為φ110 mm，尺寸較大，零件經(jīng)鹽水淬火后，表面與心部存在較大溫度梯度差,在零件冷卻后期，表面已降至室溫，而心部繼續(xù)降溫時，因伴隨體積收縮受到表層淬硬層的強(qiáng)力約束，在心部區(qū)域產(chǎn)生三維拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力作用在截面的中心處[8-9]。零件冷卻速度越快、截面尺寸越大，熱應(yīng)力越大。

裂紋區(qū)域存在明顯的組織偏析，在零件加熱時，形成成分不同的奧氏體區(qū)域，且因區(qū)域成分的差異造成組織轉(zhuǎn)變點(diǎn)不同，發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的時間先后不一致，導(dǎo)致偏析區(qū)域出現(xiàn)很大的組織應(yīng)力，形成淬火裂紋[10-11]。

淬火過程中零件心部產(chǎn)生的熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加超過鋼的斷裂極限時，在心部形成淬火裂紋。淬火是為了形成表面硬化層，增加表面硬度和耐磨性。為防止零件產(chǎn)生淬火裂紋，開展淬火試驗，采用鹽水-油雙液淬火法代替鹽水淬火法。利用二級淬火介質(zhì)的緩冷作用，降低由于快速冷卻使零件表面和心部之間產(chǎn)生溫差，減少熱應(yīng)力形成、防止淬火裂紋，即零件熱處理完成后，先在鹽水中淬火36 s，再轉(zhuǎn)入柴油中完全冷卻[12]。零件淬火后，超聲探傷檢測合格。

3 結(jié)論

1)40Cr軸超聲探傷不合格是由于軸端心部存在淬火裂紋；

2)由于零件規(guī)格較大，且材料心部成分偏析，在鹽水淬火過程中心部產(chǎn)生較大熱應(yīng)力與組織應(yīng)力，組織應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加超過材料的強(qiáng)度極限導(dǎo)致心部形成裂紋。

3)采用雙液淬火方式，利用二級淬火介質(zhì)的緩冷作用，降低零件MS點(diǎn)以下溫度區(qū)域冷卻速度，降低淬火應(yīng)力，能有效地防止淬火裂紋。