20CrMnTiH轴矫直断裂预防

西安法士特汽车传动公司 （710077) 孙银军 徐 燊 崔 鼎

我厂一中间轴产品，使用20CrMnTiH材质生产，在矫直过程中多个批次个别产品发生断裂，小部分产品矫直困难，需要加热辅助，产品一次矫直率仅为75%。为此，在机加工过程加大了键槽过渡圆角，避免应力集中；另外，重新设计热处理淬火程序，保证了中高温冷速，降低了低温冷速。试验结果达到预期目标，产品一次矫直率提高到96%，矫直过程再无断裂发生。

1.试验材料与断口分析

材料20CrMnTiH化学成分见表1。产品材质按GB/T4336检测，检测设备用直读光谱仪。失效产品断口检测分析见图1、图2。

表1 20CrMnTiH钢化学成分（质量分数） （%）

图1 断口宏观照片

图2 微观断口照片

图1 宏观断口：轴的断裂部位发生在轴颈处（键槽），断为两截，断裂面垂直于轴线方向，断口新鲜。在6.5×体式显微镜下观察，断裂源区是细瓷状断口，其余为粗大的放射状断口，是一次性脆性弯曲断裂特征。

图2微观断口：用扫描电镜对断口进行微观分析，轴表面断裂源区为细瓷状断口，其余部位为解理断裂特征，未发现裂纹、夹杂等异常现象。

由此可见，材料成分和热处理质量符合相关技术要求。材料受力后发生断裂破坏主要受材料特性和应力状态的影响。材料应控制缺陷，减少微观缺陷集中，产品减少应力集中。轴矫直断裂是由于弯曲应力大于其受能承受的最大应力，矫直困难是由于轴刚度较大，无塑性变形应力释放困难。断口分析表明断裂源区发生在轴的表面，有明显的解理断裂特征，当个别变形较大的轴在矫直时，载荷超过危险截面所能承受的最大载荷，发生一次脆性弯曲断裂。

2.试验方法

轴类产品在热处理后进行矫直是一个很关键的过程，矫直过程很可能产生裂纹，裂纹扩展引起轴断裂，矫直后的产品需要进行无损检测，防止裂纹引起产品断裂失效。由于高淬透性材料心部硬度普遍较高，脆性大、塑韧性小，矫直过程困难。矫直力小轴，弯曲不易矫直；矫直力大，轴易脆性断裂。

产品的对称性影响轴的变形趋势，加热和冷却均匀性影响轴变形的大小。故而产品外形和热处理设备一定，加热过程均匀性不变的情况下，轴弯曲变形的趋势无法改变，只能通过调整淬火冷却过程减少轴的弯曲变形量。

设计新的淬火程序，淬火时蒸汽膜阶段和沸腾阶段需要有足够的冷却能力。蒸汽膜要尽早破裂，以保证表面非马氏体符合标准要求，充足的中高温冷却能力保证零件的表面硬度、淬硬硬化层深符合图样要求，降低低温阶段冷速，有效降低组织转变应力。通过分段式淬火程序，在保证产品金相质量的前提下，降低心部硬度梯度，减少其弯曲变形倾向；减少马氏体转变量，降低心部硬度，减少弹性变形，增加塑性变形，利于后期矫直。

使用设备为AICHELIN环形连续炉，基础气氛为氮、甲醇，富化气为丙酮。在920℃，1.20%渗碳，好富顿G油淬火，竖直放置，满盘备料。不同批次随机抽样，其检测结果如表2所示。

表2 检测结果

3.试验结果与分析

从随机检测结果看，各项金相检测指标达到了试验预期目标，心部硬度普遍有所降低，且符合图样要求。对后期矫直工序进行了多个批次跟踪，其变形情况见图3，可以看出改善后产品的总体变形量呈下降趋势。

图3 产品弯曲变形量

（1）改善前总计跟踪4批次121件，累积变形量达到19mm，平均变形量0.16mm。

（2）改善后总计跟踪4批次129件，累积变形量为17mm，平均变形量0.13mm。

（3）累计变形量降低10.5%，平均变形量降低18.8%。

（4）变形量在0.15mm以下的产品从50%提高到70%。

产品矫直情况如下：此中间轴产品一次矫直率由原75%提高到96%，部分产品矫直次数由原来最大7次降低到最大3次。

调整后产品弯曲变形量降低，一次矫直率提高，减少了热校辅助，连续生产一年无断裂发生。由于热处理装炉生产的特点，总有部分位置加热和冷却过程中的状态较差，导致产品变形量也较大，但是产品的总体变形趋势得到改善，变形量在0.15mm以下的产品比重明显提高，达到预期目标。

（20121204）