42CrMo钢蜗杆开裂原因分析

(江阴市产品质量监督检验所， 江阴 214434)

随着经济的发展、社会的进步，人们对能源的需求不断增长。一方面传统的煤炭、石油等化石能源日趋枯竭，另一方面过度依赖化石能源所带来的气候、环境、健康等问题日益突出，严重威胁人类的生存和发展，寻找绿色能源实现可持续发展成为当前人类面临的迫切课题，已经得到各国政府的极大重视。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁环保、无污染能源近年来得到前所未有的发展。太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中，最优化太阳光使用，提高光电转换效率的机械及电控单元系统，回转支撑是太阳能跟踪系统的重要组成部分，而蜗轮蜗杆则是回转支撑的重要零部件。

某太阳能回转支撑蜗轮蜗杆采用42CrMo钢为原材料，直径为30 mm，其主要加工及热处理工艺为：棒料下料→调质处理→毛坯粗加工→精加工→表面渗氮→成品。在装配时发现有少数42CrMo钢蜗杆成品表面开裂，为了找出42CrMo钢蜗杆开裂的原因，笔者对其进行了一系列理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观分析

图1为开裂蜗杆的宏观形貌，可见蜗杆表面有一条细长裂纹，裂纹笔直，为沿着圆柱轴向的纵向裂纹，裂纹从蜗杆一侧光杆穿过中间螺纹区域至另一侧光杆端部。从图1 b)纵向裂纹的横截面形貌可以看出，裂纹近似垂直于蜗杆表面，裂纹外阔内尖，裂纹起源于蜗杆表面，从表面向心部延伸，延伸深度为10 cm左右，综上分析纵向裂纹应该由工件表面的拉应力引起[1]。

图1 开裂蜗杆宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the cracking worm:a) longitudinal morphology of the crack; b) cross section of the crack

1.2 化学成分分析

在开裂蜗杆上截取化学成分分析试样，使用ARL3460型直读光谱仪对蜗杆进行化学成分分析，结果见表1。可见其化学成分均满足GB/T3077-2015《合金结构钢》对42CrMo钢的成分要求。锰的质量分数虽未超标，但在标准规定值的上限。合金钢中合适的锰的质量分数可以增加其强度和硬度，改善合金钢的锻造性和可塑性，但随着锰质量分数的增加，会增加奥氏体相冷却时的过冷度，降低合金钢的淬火温度，并增大淬火应力，使淬裂的倾向变大。

1.3 淬火表面残余应力测试

采用Proto i-XRD型X射线应力分析仪,按照GB/T 7704-2017《无损检测X射线应力测定方法》 对42CrMo钢蜗杆的淬火毛坯表面进行应力测试，测试前圆棒毛坯试样先用手持砂轮机打磨表面及电解抛光腐蚀，再测试其表面残余应力。测试方法为同倾法，测得表面残余应力为拉应力，305 MPa。

表1 开裂蜗杆的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the cracking worm (mass fraction) %

1.4 微观分析

沿垂直于蜗杆轴线截取横向金相试样，经镶嵌、磨抛后，可以观察到主裂纹贯穿蜗杆，近似垂直于蜗杆表面起裂，然后较为平直地从表面向心部轴心延伸，延伸长度约为1/4直径。裂纹在蜗杆表面略宽，到未端时呈尖细状，裂纹尾端呈线条状且不连续，有微裂纹不与主裂纹贯通，具有淬火裂纹的典型特征，如图2所示。

从蜗杆最大直径处取金相试样抛光后观察，如图3所示，可见裂纹附近夹杂物情况较好，未发现明显有害夹杂物，按GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物显微评定方法——标准评级图显微检验法》A法评定夹杂物级别为：A 0.5级，B 0级，C 0级，D 0级。

图2 开裂蜗杆裂纹的微观形貌Fig.2 Micro morphology of the crack of the cracking worm:a) both sides of the crack; b) end of the crack

图3 开裂蜗杆的非金属夹杂物形貌Fig.3 Morphology of nonmetallic inclusions in the cracking worm

1.5 金相检验

将金相试样用4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后，在金相显微镜下观察其显微组织形貌，不同部位在不同放大倍数下的显微组织形貌如图4所示。蜗杆基体显微组织主要为回火索氏体，按照GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定法》中氧化法,试样在860 ℃±10 ℃加热，保温1 h，后冷水中淬火，再抛光，最后用15%(体积分数)盐酸乙醇溶液浸蚀,如图5所示,用对比法评定其晶粒度级别为9级。

图4 开裂蜗杆的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of the cracking worm

在开裂蜗杆的裂纹处取样，经4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，如图6所示，可见裂纹附近显微组织为回火索氏体+少量的铁素体，裂纹两侧有一层厚度约为20 μm的白亮层。

图6 开裂蜗杆裂纹附近在低倍和高倍下的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology near the crack of the cracking worm at a) low and b) high magnificaiton

1.6 能谱分析

对裂纹两侧白亮层进行能谱(EDS)分析，分析位置和分析结果如图7所示，测得各元素的质量分数为90.8%Fe，1.18%Cr，0.81%Mn，0.25%Si，6.98%N。可见氮元素的质量分数较高，初步判断此白亮层为渗氮层。

图7 裂纹两侧EDS分析位置和分析结果Fig.7 EDS analysis a) position and b) results on both sides of the crack

1.7 硬度测试

图8 硬度测试打点位置Fig.8 Hardness test dot location

图9 硬度测试结果Fig.9 Hardness test result

按照GB/T 4340.1-2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，采用Q30A型全自动维氏硬度计用0.49 N载荷对裂纹表面白亮层进行显微硬度测试，测试打点位置如图8所示，测试结果如图9所示，测得显微硬度为876 HV0.05。通过硬度测试结果进一步确认裂纹两侧表面白亮层为渗氮层，从而可以判断该裂纹产生于表面渗氮工艺之前。渗氮层的硬度变化趋势如图10所示，可见表面硬度较高接近800 HV0.05,随后硬度逐渐降低，距表面0.8 mm后硬度趋于稳定，稳定后的硬度约为350 HV0.05。

图10 从表面到心部的硬度变化趋势 Fig.10 Tendency change of the hardness from surface to center

2 分析与讨论

开裂蜗杆基体及裂纹附近的夹杂物情况较好，未发现明显有害夹杂物，表明该蜗杆材料的洁净度较好。蜗杆基体显微组织为回火索氏体，显微组织无明显异常，从显微组织可以判断，蜗杆已完全淬透，测得蜗杆调质后显微组织的晶粒度为9级。上述结果表明蜗杆调质热处理工艺无异常。

裂纹两侧表面可见白亮层，厚度约为20 μm，由硬度及能谱测试结果确认其为渗氮层，裂纹表面出现渗氮层可以判断裂纹的产生是在渗氮工艺之前。裂纹垂直方向硬度测试结果显示，渗氮影响层厚度约为0.8 mm。蜗杆毛坯淬火态表面残余应力测试结果为拉应力，应力为305 MPa。蜗杆化学成分满足GB/T 3077-2015对42CrMo钢的成分要求，但锰的质量分数在标准规定值的上限。锰质量分数高会增加奥氏体相冷却时的过冷度，降低钢的淬火温度，并增大淬火应力，使淬裂的倾向变大。

从裂纹的宏、微观形貌来看，裂纹起源于蜗杆毛坯表面后往心部扩展，裂纹呈锯齿状，有沿晶开裂特征，裂纹起始端较宽，末端裂纹呈细尖状，主裂纹尾端可见微裂纹存在，上述特征具有全淬透工件淬火纵向裂纹的典型特征[2]。综上分析，此裂纹应该是在调质热处理工艺的淬火阶段形成，而淬火应力过大是导致该蜗杆淬火开裂的直接原因。

蜗杆毛坯淬火时从奥氏体化温度急速冷却会产生热应力，而在马氏体转变的起始温度(Ms温度)以下发生的马氏体转变则会产生相变应力。因此淬火冷却阶段蜗杆毛坯所受的应力是热应力与组织应力的叠加应力，这两种应力的相互作用使淬火应力变得极其复杂[3-5]。首先，淬火开始时先由热应力起主导作用。在淬火温度开始冷却的初始阶段，蜗杆的表层温度会迅速降低，这时因热胀冷缩效应，表面发生体积收缩，而内部的温度还较高，体积收缩不均匀，表层产生压应力，内部产生拉应力。在冷却到马氏体开始相变温度的过程中，组织未发生变化，只是热应力的变化。冷却速度越快，材料中碳和合金元素的质量分数越高，冷却过程中产生的不均匀变形就越大，残余应力就会越大，但是在此过程中材料一般不会产生裂纹。当冷却到马氏体相变温度以下时，原奥氏体相向马氏体相转变，比容增大，并且会伴随体积的膨胀。蜗杆表面先到达马氏体转变温度形成马氏体，而心部转变较滞后，后形成马氏体时的体积膨胀会受到表层的制约，这样会使表层组织受拉应力，心部受压应力。

所以在淬火冷却时，Ms温度以上仅存在热应力机制，而在Ms温度以下两种机制同时存在，但是马氏体相变引起的线膨胀量大于热膨胀量约一个数量级，所以Ms温度以下组织应力机制会起主要作用[6-8]，表面残余应力测试结果为305 MPa也证实了以上分析。纵向裂纹经常出现在全淬透构件上[9]，这是因为全淬透构件相变应力较高，在表面容易产生拉应力，并且对于圆柱件来说，切向应力会高于轴向应力。另外合金元素的质量分数越高，Ms温度越低，淬透性越好，马氏体越细，比容越大引起的组织应力就越大，所以构件会更容易发生开裂。另外在低温下材料的韧性没有高温时好，如果在较低温度时发生马氏体转变会更容易发生开裂。

一般裂纹都是在构件受拉应力情况下产生[10]。构件出现开裂其内部一定存在应力梯度，即应力集中[11]。构件瞬时拉应力过大造成应力集中，当应力超过其断裂强度时，裂纹就会产生。随着裂纹的产生和扩展，冷却油会沿裂纹进入构件的内部，则裂纹附近也会产生较大的热应力，从而在主裂纹附近形成微裂纹并扩展[12]。

3 结论及建议

该42CrMo钢蜗杆表面裂纹为淬火应力裂纹，蜗杆材料中的锰的质量分数偏高以及淬火过程中热应力与组织应力叠加导致蜗杆沿轴线方向开裂。

建议蜗杆材料在热处理时适当降低马氏体转变阶段的冷却速率，从而降低相变应力引起的表面拉应力；适当提高冷却开始阶段非相变温度区间的冷却速率，提高热应力用来抵消相变应力，降低表面的拉应力；加强对机加工后蜗杆的质量检查，避免带有裂纹的蜗杆进入装配使用环节。