旋回破碎機(jī)4Cr13鋼主軸套激光淬火后的磨削裂紋分析

石如星， 林乙丑， 張 沛， 齊國(guó)賽， 于文平， 蘇文博

(1. 洛陽(yáng)中重鑄鍛有限責(zé)任公司， 河南 洛陽(yáng) 471003；2. 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心， 河南 洛陽(yáng) 471003)

某公司生產(chǎn)的材質(zhì)為4Cr13鋼的旋回破碎機(jī)主軸套，根據(jù)使用要求，需對(duì)其外圓工作面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。通常，采用激光淬火的方式使主軸套工作表面的硬度和淬硬層深度達(dá)到使用要求。但在磨削加工階段，激光淬火后的部分主軸套外圓表面會(huì)產(chǎn)生裂紋影響使用。因此，本文通過(guò)宏觀形貌、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)和顯微組織觀察等多方面對(duì)主軸套裂紋的成因進(jìn)行了分析，確定了裂紋的產(chǎn)生原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以避免裂紋再次產(chǎn)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

經(jīng)過(guò)激光淬火后，兩件主軸套A和B在磨削加工階段均出現(xiàn)裂紋，宏觀形貌如圖1所示。從圖1(a)可知，主軸套A在靠臺(tái)階處外圓一周存在多處裂紋，圖1(b) 是箭頭處放大位置處裂紋的形貌。由圖1(c，d)可以看出，在進(jìn)行滲透探傷(PT)后，主軸套B外表面存在數(shù)處黑點(diǎn)，且在淬火面中段處存在一圈軸向線性顯示，長(zhǎng)度在5～35 mm。由圖1可知，B主軸套裂紋主要集中在寬約50 mm的環(huán)帶上，其他部位有零星分布；兩件主軸套表面裂紋細(xì)如發(fā)絲，數(shù)量較多，大部分長(zhǎng)約5～30 mm；裂紋外圓走向均與軸向呈約15°夾角；其中主軸套A缺陷靠近上端臺(tái)階處，呈右旋走向，主軸套B缺陷距下端490～540 mm，呈左旋走向。

圖1 A主軸套(a，b)和B主軸套(c，d)裂紋的宏觀形貌Fig.1 Macro morphologies of cracks of the spindle sleeve A(a, b) and B(c, d)

為了找出裂紋產(chǎn)生的根本原因，對(duì)主軸套A進(jìn)行取樣，取樣如圖2所示。然后從化學(xué)成分、硬度、有效淬硬層深度、顯微組織等方面進(jìn)行檢測(cè)與分析。

圖2 主軸套A的檢測(cè)取樣位置Fig.2 Inspection sampling positions of the spindle sleeve A

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)

采用光譜儀分析試樣的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)各元素含量實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其化學(xué)成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》中4Cr13鋼(舊牌號(hào))的要求。

表1 A主軸套的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 硬度及有效淬硬層深度檢測(cè)

分別采用布氏、洛氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣基體硬度和激光淬火面硬度，同時(shí)根據(jù)GB/T 18683—2002《鋼鐵件激光表面淬火》的檢測(cè)規(guī)范，采用維氏硬度計(jì)檢測(cè)試樣有效淬硬層深度及硬度梯度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2及圖3。由表2和圖3可知，主軸套A的基體硬度、激光淬火面硬度和有效淬硬層深度均符合設(shè)計(jì)使用要求。

表2 主軸套A的硬度及有效淬硬層深度檢測(cè)值

圖3 主軸套A激光淬火硬度梯度曲線Fig.3 Gradient curves of laser hardened hardness of the spindle sleeve A

1.4 金相分析

將制備的金相試樣經(jīng)磨制、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)一步觀察試樣基體、淬硬層、裂紋的組織形貌及特征。如圖4所示，主軸套A的基體組織為回火索氏體，其上彌散分布著細(xì)小的碳化物顆粒，同時(shí)依稀可見(jiàn)尚未完全分解的馬氏體或貝氏體形貌，是其正常的調(diào)質(zhì)組織。

圖4 主軸套A基體顯微組織Fig.4 Microstructure of matrix of the spindle sleeve A

圖5和圖6是試樣淬硬層經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后的組織形貌，圖5中各區(qū)組織輪廓清晰可見(jiàn)，表層存在白亮組織，有白亮區(qū)和過(guò)渡區(qū)，白亮區(qū)約0.8 mm寬，過(guò)渡區(qū)約0.3 mm寬，白亮區(qū)可見(jiàn)激光螺旋掃描時(shí)光斑搭接形成的灰暗弧線，有效淬硬層為白亮層+過(guò)渡層，組織為隱針馬氏體。試樣經(jīng)FeCl3鹽酸溶液腐蝕后，白亮層顯示為熔凝組織形貌特征，表層為極薄的激冷層，其后為月牙形、呈放射狀、定向凝固的柱狀晶，如圖7所示。

圖5 主軸套A淬硬層形貌Fig.5 Morphologies of hardened layer of the spindle sleeve A

圖6 主軸套A的淬硬層深度及位置Fig.6 Depth and position of hardened layer of the spindle sleeve A

圖7 主軸套A激光淬火區(qū)的組織及形貌(FeCl3鹽酸溶液腐蝕)(a～c)全貌;(d,e)白亮層;(f)過(guò)渡區(qū)Fig.7 Microstructure and morphologies of laser quenched zone of the spindle sleeve A(etched by FeCl3 hydrochloric acid solution)(a-c) full view; (d,e) bright white layer; (f) transition zone

由圖8可見(jiàn)，裂紋集中分布于有效淬硬層內(nèi)，呈斷續(xù)、撕裂狀，裂紋寬度<10 μm，并走向曲折，但均與表面相垂直，裂紋起始于表面、白亮層與過(guò)渡層及過(guò)渡層與基體交接處。

圖8 主軸套A的裂紋分布及FeCl3鹽酸溶液腐蝕前(a,c,e)、后(b,d,f)形貌Fig.8 Distribution and morphologies of cracks in the spindle sleeve A before(a,c,e) and after(b,d,f) etching by FeCl3 hydrochloric acid solution

2 討論與分析

根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果可知，材料的化學(xué)成分(見(jiàn)表1)及顯微組織(見(jiàn)圖4)均符合要求，排除了主軸套本身質(zhì)量和熱處理問(wèn)題，初步判定裂紋為磨削過(guò)程中形成的磨削裂紋。

磨削裂紋通常情況下較淺，深度一般為0.02～0.20 mm，且裂紋垂直于或大致垂直于磨削面[1]。磨削裂紋按裂紋形狀可分為網(wǎng)狀、放射狀、蜷曲狀、星點(diǎn)狀等；磨削熱致使工件表面溫度上升，導(dǎo)致表面發(fā)生兩次收縮而產(chǎn)生裂紋，磨削時(shí)零件表面的溫度可能高達(dá)820～840 ℃或更高[2-3]。淬火鋼的組織是馬氏體和一定數(shù)量的殘留奧氏體，均處于膨脹狀態(tài)(未經(jīng)回火處理尤為嚴(yán)重)。如果將其表面快速加熱至100 ℃左右并迅速冷卻時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生收縮，這是第一次收縮。這種收縮僅發(fā)生在表面，其基體仍處于膨脹狀態(tài)，從而使表面層承受拉應(yīng)力而產(chǎn)生微裂紋，這是第一種裂紋。當(dāng)溫度升至300 ℃時(shí)，表面再次產(chǎn)生收縮，從而產(chǎn)生第二種裂紋，特征是龜甲狀，用酸腐蝕裂紋明顯易見(jiàn)[4-6]。

從磨削裂紋產(chǎn)生的主導(dǎo)應(yīng)力角度分析，將磨削裂紋分為內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋和摩擦應(yīng)力主導(dǎo)的磨削裂紋。從應(yīng)力角度來(lái)講，零件出現(xiàn)裂紋或者發(fā)生開(kāi)裂是由于應(yīng)力超過(guò)了材料抗力，在殘余內(nèi)應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋稱為內(nèi)應(yīng)力磨削裂紋；在摩擦應(yīng)力主導(dǎo)下產(chǎn)生的磨削裂紋，裂紋從表面起裂，最終朝平行于表面的淺表層方向擴(kuò)展[3]。淬火鋼中的殘留奧氏體，在磨削時(shí)，受磨削熱的影響發(fā)生分解，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種新生的馬氏體集中于表面，引起零件局部膨脹，加大了表面應(yīng)力，導(dǎo)致磨削應(yīng)力集中，繼續(xù)磨削則容易加快磨削裂紋的產(chǎn)生；此外，新生的馬氏體脆性較大，也容易加快磨削裂紋的產(chǎn)生。

另一方面，磨削加工時(shí)，對(duì)工件既有壓應(yīng)力，又有拉應(yīng)力，助長(zhǎng)了磨削裂紋的形成；磨削時(shí)冷卻不充分，由磨削產(chǎn)生的熱量足以使磨削表面薄層重新奧氏體化，隨后再次淬火形成淬火馬氏體[7]。因而使表面層產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力，再加上磨削所形成的熱量使零件表面的溫度升高極快，這種組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的疊加就可能導(dǎo)致磨削表面出現(xiàn)磨削裂紋[8-10]。此外，熱處理回火不足、應(yīng)力未充分消除、組織不穩(wěn)定、過(guò)多的殘留奧氏體、網(wǎng)狀帶狀鏈狀共晶碳化物、馬氏體粗大、淬火溫度過(guò)高、氫量過(guò)高、磨削加工工藝不當(dāng)(進(jìn)給量、砂輪選擇及修整等)以及冷卻不足等都會(huì)引起開(kāi)裂。

通過(guò)對(duì)4Cr13鋼主軸套裂紋的分析可知，裂紋集中分布在一個(gè)砂輪寬度的環(huán)帶上，與主磨削方向(切向)接近垂直。這主要是因?yàn)樯拜喸谀ハ鬟^(guò)程中存在切向與軸向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，切向的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸向移動(dòng)速度，因此這兩個(gè)方向產(chǎn)生的磨削拉應(yīng)力的合力超過(guò)了該材料抗力，最終造成裂紋產(chǎn)生，并使其走向與軸向呈約15°的夾角，呈現(xiàn)出與磨削工藝相關(guān)度極高的分布形態(tài)。同時(shí)，由于采用激光淬火表面處理方式，所以激光熔凝產(chǎn)生的放射狀柱狀晶結(jié)構(gòu)會(huì)顯著降低晶體間的結(jié)合力，加之用激光淬火余溫的自回火方式處理使得淬硬層應(yīng)力分布較復(fù)雜，因此在磨削過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋。B主軸套激光淬火后著色檢查未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋，經(jīng)磨削后出現(xiàn)裂紋，其分布形態(tài)與A主軸套相同，間接驗(yàn)證了該裂紋為磨削裂紋。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)化學(xué)成分、表面組織及顯微硬度等方面的分析，可得出4Cr13鋼主軸套裂紋性質(zhì)為磨削裂紋。裂紋的產(chǎn)生主要是由于砂輪磨削過(guò)程中存在切向與軸向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，切向轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于軸向移動(dòng)速度，兩個(gè)方向產(chǎn)生的磨削拉應(yīng)力合力，造成裂紋與軸向呈約15°的夾角。同時(shí)，由于激光熔凝產(chǎn)生的放射狀柱狀晶結(jié)構(gòu)顯著降低了晶體間的結(jié)合力，加之采用激光淬火余溫自回火的方式，使淬硬層應(yīng)力分布較復(fù)雜，在磨削過(guò)程中易出現(xiàn)裂紋。

2) 為了防止此類裂紋的出現(xiàn)，可以從多個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：磨削加工前，增加車削加工工序，并進(jìn)行磁粉或著色探傷檢查；軸套激光淬火后采用整體回火方式處理；確保原材料質(zhì)量，進(jìn)行中間退火，適當(dāng)降低淬火冷卻速度；繼續(xù)研究4Cr13鋼激光淬火后缺陷性質(zhì)鑒別技術(shù)等。