轴套裂纹原因分析

王 宁，丁北斗，王 浩，崔 萌，冯照平

(1.徐州市质量技术监督综合检验检测中心，江苏 徐州 221000; 2.中国矿业大学，江苏 徐州 221000)

某企业生产的轴套在机加工过程中发现在内圈有肉眼可见的2条基本对称分布且纵穿轴向的裂纹，轴套及裂纹宏观形貌如图1所示，箭头所指为裂纹位置。据介绍，该轴套材质为45钢，制造工艺为：原材料(热轧)→调质→机加工，调质热处理后硬度要求≥235 HB。该轴套经磁粉探伤后除观察到上述2条裂纹外，在轴套底部中间部位还发现1条裂纹，如图2所示。

1 理化检验与结果

1.1 化学成分分析

对轴套取样进行化学成分分析，各元素含量具体见表1。可以看出，材料化学成分符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》标准规定的要求。

表1 轴套化学成分 (质量分数，%)

1.2 金相检验

依图1中1#位置所示方式截取试样，观察切面裂纹扩展情况。试样经磨制、抛光后在显微镜下观察，裂纹深度约为4 mm，裂纹纤细，具有应力开裂特征，如图3(a)所示；在裂纹内部发现了一些填充物(后经能谱分析表明，填充物主要为MnS夹杂和氧化皮)，如图3(b)所示。试样经4%硝酸酒精腐蚀，材料微观组织为索氏体+铁素体，铁素体呈大块状和粗针状，形成严重的魏氏组织，如图3(c)所示。同时发现大量铁素体呈带状分布，如图3(d)所示。裂纹两侧发现明显的脱碳层，见图3(e)，表明此裂纹应形成于调质处理前。对材料内部非金属夹杂物进行检查，依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》判定MnS夹杂≥3级，如图3(f)所示。

图1 轴套及裂纹宏观形貌Fig.1 Macro morphology of cracks and axle sleeve

图2 底部中间位置裂纹Fig.2 The crack on the middle bottom

(a)裂纹扩展宏观形态；(b)裂纹内部填充物；(c)试样显微组织；(d)带状组织偏析；(e)裂纹两侧脱碳层；(f)MnS夹杂图3 试样金相检验(a) macro morphology of crack growth；(b) internal filler in crack；(c)microstructure of sample；(d) banding segregation；(e)decarburized layer on both sides of the crack；(f)MnS inclusionsFig.3 Metallographic examination of sample

1.3 硬度测试

利用HB-3000B-I型布氏硬度计测定材料的硬度，材料的硬度为217 HBW5/750/30。

1.4 能谱分析

利用能谱仪(EDAX)对图3(b)中裂纹内部填充物的分析结果如图4所示。表明此填充物主要为MnS夹杂和氧化皮。MnS夹杂是原材料冶炼过程中产生的，氧化皮是热处理时高温氧化产生的。

图4 能谱分析结果Fig.4 The result of energy spectrum analysis

2 分析与讨论

1) 化学成分分析表明，此材料的化学成分符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》技术条件要求；硫作为杂质元素，多以硫化物非金属夹杂物的形式存在，硫元素含量偏高，相对来说形成的非金属夹杂物就多[2]。

2) 硬度测试结果表明，此材料调质热处理后硬度低于技术要求(≥235 HB)。

3) 通过金相组织观察表明，显微组织存在块状和粗针状铁素体组织，魏氏组织严重，说明存在组织过热现象。原材料中的带状组织偏析形成了显微组织的严重不均，易产生较大的组织应力，同时形成力学性能的方向性，不仅强度低，韧性也差[3-4]。裂纹两侧有明显脱碳现象，表明裂纹形成于(原材料)热轧过程中。

4) 随着近代精炼技术的发展，钢的“洁净度”大大提高，然而还无法避免钢中内生夹杂物的产生。由于非金属夹杂物同基体金属的弹性、塑性有相当的差别，非金属夹杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏[5-6]，材料中MnS非金属夹杂物超标，严重破坏了金属基体的连续性[7]，造成热轧裂纹形成后沿着MnS夹杂物快速扩展，形成纵向贯穿裂纹。

3 结论及建议

该轴套内圈裂纹是在热轧过程中由于轧制工艺不当引发的，原材料中严重的带状组织偏析和非金属夹杂物加速了裂纹的扩展。

建议：1) 加强原材料非金属夹杂物控制；2) 优化热轧工艺，避免裂纹出现；3) 加强原材料入厂时低倍检验。