42CrMo钢长轴感应淬火裂纹原因分析.pdf

2024年 第1期 热加工76热 处 理Heat Treatment42CrMo钢长轴感应淬火裂纹原因分析陈步超，宋翊，刘海明，陈露，王致远，牛宗冉，鞠玉琳，袁志钟江苏大学材料科学与工程学院 江苏镇江 212013 摘要：观察了感应淬火后42CrMo钢长轴开裂的微观组织、裂纹形貌并测试其化学成分和力学性能，分析了裂纹的形成原因。结果表明：裂纹沿轴向分布且仅存在于大直径区域的淬硬层，与心部相比，该区域晶粒异常粗大且部分晶界熔化，裂纹沿晶扩展，裂纹内存在氧化物，因此判断裂纹产生的主要原因是感应淬火工艺参数不当，导致在长轴直径增大区域的淬火加热温度过高，从而造成淬硬层发生过烧、晶界弱化甚至烧蚀，从而出现裂纹。相比小直径区域，大直径区域的淬硬层较厚、硬度偏低，也佐证了该论断。关键词：42CrMo钢；沿晶裂纹；感应淬火；夹杂物；过烧Failure analysis of induction hardening cracks in 42CrMo long shaftCHEN Buchao,SONG Yi,LIU Haiming,CHEN Lu,WANG Zhiyuan,NIU Zongran，JU Yulin,YUAN Zhizhong School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,ChinaAbstract:The microstructure，morphology of cracks，composition and mechanical properties of cracked 42CrMo long shaft after induction quenching were characterized.The causes of the cracks were analyzed.The results show that the longitudinal cracks are found at the hardened layer of the larger diameter region.The grains are abnormally coarse and parts of the grain boundaries are fused compared with those of the center region.Cracks with oxides extends interannually.Therefore，the reason is due to the inappropriate parameters of the induction hardening process for the larger diameter part，which results in the over high quenching temperature，over burned grains and fused grain boundaries and thereafter cracks in the hardened layer.The thicker hardened layer and lower hardness of the larger diameter part compared with those of the smaller diameter part also testify this judgment.Keywords:42CrMo；intergranular crack；induction hardening；inclusion；over burn1 序言 42CrMo钢是常用的调质钢，具有较好的强韧性、出色的淬透性和较小的淬火形变，调质处理后的组织为细小均匀的回火索氏体，因此综合力学性能良好，且具有优异的疲劳强度和抗冲击性能1，广泛应用于主轴2，3、齿轮4和螺栓5，6等零部件。但在实际制造和应用的过程中，42CrMo钢难免会因为应力集中5，7-10、夹杂物聚集11-13、交变应力6，14基金项目：国家自然科学基金（52203379）。通信作者：袁志钟，副教授，博士，主要从事金属材料热处理及表层改性的教学和研究工作，发表论文80余篇，E-mail：。2024年 第1期 热加工77热 处 理Heat Treatment以及热处理不当4，15-18等原因导致零件产生裂纹，甚至断裂失效。本文对某型号调质态42CrMo钢长轴在感应淬火和低温回火后的表面裂纹进行了失效 分析。2 试验材料及方法该棒材单个班次400根，开裂超过40根，试验件为从开裂比较明显的单根上取样。由于原材料为单个供应商，且工艺控制比较严格，所以单根取样具有代表性。试验测试和分析了同批次的42CrMo钢毛坯棒料与开裂轴，前者为调质态，后者的加工流程为：毛坯棒料机械加工感应淬火低温回火无损检测。在磁粉检测过程中发现了裂纹。采用赛默飞ARL直读光谱仪检测开裂轴的化学成分；利用DMI8C金相显微镜观察毛坯棒料和开裂轴的微观组织，依据GB/T 133202007钢质模锻件金相组织评级图及评定方法和GB/T 63942017金属平均晶粒度测定方法对毛坯棒料金相组织和平均晶粒度进行评级，依据ASTM E452018a钢中夹杂物含量的测定-标准检验法（中文版）对毛坯棒料夹杂物含量进行判定，依据JB/T 92042008钢件感应淬火金相检验对感应淬火开裂轴横截面的淬硬层和心部进行组织分析和晶粒度的评级；利用Phenom XL扫描电子显微镜（SEM）以及能谱（EDS）分析了裂纹和夹杂物的微观形貌以及夹杂物的成分，在EDS成分测定过程中，分别检测夹杂物和基体的含量，通过对比来确认数据的准确性；依据GB/T 4340.12009金属维氏硬度试验、GB/T 230.12018金属洛氏硬度试验和GB/T 56172005感应淬火有效淬硬层深测定等要求，采用HRS-150型数显洛氏硬度计和HVS-1000型显微维氏硬度计对经过感应淬火和回火处理的硬度与淬硬层深度进行测量。3 理化检验及结果3.1 宏观形貌图1所示为42CrMo钢长轴开裂轴磁粉检测代表性影像，可见裂纹产生于轴径变化处，沿轴向分布，宏观长度在5mm以内，同批次的开裂轴裂纹位置均在同一区域。图2所示为轴变处的横截面超景深图像，测量得知裂纹深度最长为762.12m。图3所示为长轴的结构，其中红框区域为产生裂纹处，为感应淬火和回火后表面硬度与淬硬层深度的检测位置。图1 42CrMo钢长轴磁粉检测影像图2 42CrMo钢长轴横截面超景深图像图3 长轴结构与裂纹位置示意3.2 化学成分利用赛默飞ARL直读光谱仪对开裂轴化学成分进行检测，结果见表1。从表1可看出，该材料符合GB/T 30772015合金结构钢中关于42CrMo钢化学成分的要求。表1 42CrMo钢长轴的化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnS检测值0.430.220.780.029标准值0.380.45 0.170.37 0.500.800.030元素PCrNiMo检测值0.0091.090.120.18标准值0.0300.901.200.300.150.252024年 第1期 热加工78热 处 理Heat Treatment3.3 毛坯棒料微观组织及非金属夹杂物由于该轴在最终热处理之前是调质态，所以对其毛坯棒料的微观结构进行了分析。毛坯棒料纵截面的金相组织如图4所示，为回火索氏体+少量铁素体的混合组织，属于正常的调质态组织，依据GB/T 133202007可以评定为2级；毛坯棒料晶界深腐蚀组织如图5所示，依据GB/T 63942017评定，平均晶粒度为7.5级。调质组织评级和晶粒度评级的结果都符合企业的技术要求（分别为不高于5级以及58级范围内）。夹杂物的金相组织如图6所示。图4 毛坯棒料纵截面的金相组织图5 毛坯棒料晶界深腐蚀组织图6 夹杂物的金相组织依据ASTM E452018a Method A对夹杂物含量进行评级，结果见表2。从表2可看出，四大类夹杂物的评级均符合企业的技术要求，只是长条状A类硫化物与球状D类氧化物均处于公司技术要求的上限。毛坯棒料纵截面夹杂物的EDS测试结果如图7图9所示。发现原材料基体中含有Fe的氧化物和碳化物、Al2O3和MnS等夹杂物，其中Fe的氧化物和表2 毛坯的非金属夹杂物检测结果 （mm）检测项目非金属夹杂物类型ABCD技术要求夹杂物尺寸2.5 1.0 1.51.0检出夹杂物尺寸2.5001结论合格a）微观形貌 a）微观形貌 b）EDS能谱分析图7 毛坯棒料纵截面Fe的氧化物和碳化物 b）EDS能谱分析图8 毛坯棒料纵截面Al2O3夹杂物2024年 第1期 热加工79热 处 理Heat Treatment碳化物尺寸超过5m，Al2O3和MnS的夹杂物尺寸都是5m左右。再将毛坯棒料沿径向分别向中心研磨1mm和2mm，打磨抛光重复上述试验，也观察到与 上述类似的结果，表明其夹杂物在径向方向上分布比较均匀，并没有富集在表层。3.4 硬度根据产品技术要求，42CrMo钢长轴在感应淬火后的表面硬度应为5560HRC，因此从长轴表面选取4个不同位置（见图3）进行硬度检测，处的检测结果分别为58.1HRC、59.4HRC、59.5HRC和61.3HRC，平均值为59.6HRC，符合技术要求。经过台车炉低温回火后，再次测量处的硬度值为56.6HRC、57.6HRC、57.9HRC和58.5HRC，平均值为57.7 HRC，满足5460HRC的最终硬度要求。硬度数据显示，（大直径）处的硬度总是低于（小直径）处的硬度，同时经测量发现处经感应淬火后的淬硬层深度为6.20mm，而处的淬硬层深度只有5.50mm，由棒料处的直径为50mm而处的直径为42mm推测，造成处硬度下降与淬硬层加深是因感应淬火过程中棒料直径发生变化而引起的。当轴的直径变大时，试样更靠近感应器，在感应器的功率、移动速率不变的情况下，会造成温度偏高、淬火层深度增大的现象。3.5 开裂轴的微观组织图10a所示为淬硬层横截面的金相组织，可见该区域的晶粒异常粗大，按JB/T 92042008对其进行晶粒度评级，计算可知晶粒平均面积为0.00846mm2，因此评为2级，而企业技术要求为37级，因此表层淬硬层晶粒度评级不合格。图10b所示为感应热处理件心部横截面金相组织，不难发现其与图5毛坯件的平均晶粒度相同，为正常的调质态，因此心部的晶粒度评级结果符合技术要求。a）淬硬层b）心部图10 开裂轴横截面的金相组织图11所示为淬硬层裂纹的横截面金相组织，三幅图片中的裂纹的都呈现聚集在表层区域的特征，部分裂纹在表面以下，有些裂纹贯穿表面，值得注意的是，所有的裂纹均呈现沿晶扩展的特点。另外，从图11a、b可明显看出，部分裂纹内壁有烧损形貌，且裂纹最宽处超过20m。对裂纹进行了化学成分分析，结果如图12所示，可见裂纹内壁主要是Fe的氧化物和碳化物，其中氧化物居多且分布集中，碳化物较少且分散。a）微观形貌 b）EDS能谱分析图9 毛坯棒料纵截面MnS夹杂物2024年 第1期 热加工80热 处 理Heat Treatment4 分析与讨论上述检测结果表明，42CrMo钢长轴的化学成分和硬度均符合技术要求，且原材料调质组织、夹杂物的评级都合格；从裂纹出现的位置来看，裂纹聚集在淬硬层区域，而心部无裂纹，且裂纹的位置固定在轴变处，如果感应淬火工艺参数不变的情况下，则该区域容易出现尖角效应，也容易出现大直径区域容易过热的现象；从淬硬层的微观组织来看，晶粒异常粗大，与心部组织形成鲜明对比，且晶界出现熔化现象，具备过烧的特征；从裂纹的形貌来看，裂纹部分烧损，最宽处超过20m，裂纹扩展呈现沿晶特征，没有发现沿夹杂物开裂现象；从裂纹的成分来看，裂纹内壁氧化严重；从硬度数据来看，开裂轴直径较大区域的硬度值偏低于直径较小区域，且淬硬层更厚，这也可以从侧面证明直径大的区域出现淬火加热温度过高的问题。综合以上数据，可以判定裂纹产生的原因为感应加热工艺参数设定不合格，造成在轴直径由小变大的区域温度a）贯穿裂纹（200）b）贯穿裂纹（500）c）未贯穿裂纹（500）图11 开裂轴横截面近表面区域裂纹的显微金相组织 a）微观形貌 b）EDS图12 开裂轴横截面裂纹（未腐蚀）的微观形貌及EDS2024年 第1期 热加工81热 处 理Heat Treatment过高、保温时间过长、冷却偏慢，从而导致晶粒粗大且部分晶界熔化，从而出现沿晶开裂。5 结束语1）42CrMo钢长轴在感应淬火时，由于温度过高、保温时间过长，因此导致在轴径变化处淬硬层晶粒粗大、部分晶界熔化，最终导致在淬火过程中产生沿晶裂纹，这是导致长轴开裂的主要原因。2）建议厂家调整淬火工艺，在保证硬度、淬硬层深度的前提下，降低直径增大区域的淬火加热温度、缩短保温时间并及时淬火。参考文献：1 周同，索进平.42CrMo钢连杆失效分析J.化学工程与装备，2016（4）：21-24.2 阮建刚.42CrMo驱动轴断裂失效分析J.上海汽车，2019（7）：59-62.3 刘敬平，王翠芳，卢杉.42CrMo钢半轴的断裂失效分析J.热加工工艺，2017，46（16）：251-253，256.4 曹昌怀，刘修艳，陈文伟，等.42CrMo船用柴油机传动齿轮中频感应淬火失效分析J.金属加工（热加工），2015（1）：30-31.5 王安友，茶浪，王慧，等.42CrMo六角头螺栓断裂原因分析J.机电产品开发与创新，2022，35（1）：155-158.6 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