浅析调质销轴开裂原因

袁 军

（秦皇岛秦冶重工有限公司，河北 秦皇岛 066318）

Φ200 mm 销轴，材质45 钢，调质处理，在机加工过程中发现裂纹。对开裂销轴进行取样检验分析，结果显示材料存在多种缺陷导致销轴开裂。

45 钢是优质碳素结构钢典型代表钢种之一，具有较高的强度一定的韧性和塑性良好的切削加工性能，经调质处理后可获得较好的综合力学性能，常用于制造销轴等[1]。

1 化学成分分析

表1 45 钢销轴化学成分（%）

对照GB/T 699—2015，符合45 钢标准要求。

2 金相分析

2.1 低倍检验

对销轴横截面进行酸洗检验，发现一般为疏松3 级。同时显示多条裂纹，并有裂纹穿过轴心。

2.2 非金属夹杂物

在100×视场下未发现可评级的非金属夹杂物。

金相组织：从轴心沿轴径距离端面1/4 区域的裂纹末梢取样，检验横截面金相组织，经硝酸酒精腐蚀后显示结果如图1、图2 所示。

图1 铁素体网及魏氏组织500×

图2 沿晶裂纹1000×

图1 显示组织为极细珠光体+沿晶界分布的铁素体，部分铁素体呈轻微的魏氏组织，晶粒度7～8 级。

图2 为销轴截面的裂纹末梢，显示沿铁素体网开裂，为沿晶裂纹。

从销轴中心裂纹部位取样检验，显示组织分布不均匀，铁素体网多聚集分布，纵向组织显示呈明显的铁素体带状偏析，如图3 所示。在铁素体网个别聚集分布的区域内以及带状铁素体区域内均可见硫化物夹杂，如图4所示。

图3 带状组织形貌50×

图4 硫化物夹杂1000×

由上述检验结果可知，材料存在多种缺陷包括一般疏松、组织不均匀、铁素体网、魏氏组织、带状组织以及硫化物夹杂。同时，由于销轴截面积比较大，45 钢的淬透性差，检验处组织基本是铁素体和极细珠光体状态，没有达到理想的索氏体组织。

3 缺陷组织的形成及对性能的影响

3.1 铁素体网的形成及危害

各种组织缺陷是相互关联的，铁素体网与钢材原始状态有关，铁素体在原奥氏体的晶界处析出，由于奥氏体境界上晶格缺陷多，且组织疏松，易于铁素体新相的形核和原子聚集，从而为网状组织的形成创造条件。

奥氏体化过程如果存在过热现象，缓慢冷却时会沿晶界析出呈网络状分布的铁素体网。因为相界或晶界上的原子有更大的自由能和运动空间，因此在晶界处析出。

钢中出现网状铁素体会使钢质变脆，韧性变坏。在淬火过程中会引起淬火裂纹，降低工件的力学性能特别是冲击韧性。

3.2 魏氏组织的形成及危害

魏氏组织的产生原因有2 种。1）原始组织晶粒粗大或加热温度过高。2）冷却速度过快。在亚共析钢中，钢在高温以较快的速度冷却时，先共析的铁素体从奥氏体的晶界上沿着奥氏体的一定界面向晶内生长，呈针状析出，奥氏体晶粒越粗大越容易形成魏氏组织。从图1 和图4 中明显看出魏氏组织铁素体针状形态。魏氏组织在最终热处理时会有增大变形的倾向，使钢的塑性和冲击韧度显著降低。

3.3 带状组织的形成及危害

带状组织的形成有2 种情况。1）有成分偏析引起的带状组织。在亚共析钢中，由于夹杂物的含量较多，加工变形后，夹杂物呈流线分布，当钢从热加工温度冷却时，这些夹杂物可作为先共析铁索体成核的核心，使先共析铁素体先在夹杂物周围生成，最后剩余奥氏体转变成珠光体，使先共析铁素体和珠光体呈带状分布，形成带状组织。2）由于热加工温度不当引起的带状组织。在锻造时，热加工停锻温度位于两相区时（Ar1 和Ar3 之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷到Ar1 时，带状奥氏体转化为带状珠光体。

带状组织的存在使钢的组织不均匀，并影响钢材性能，形成各向异性，降低钢的塑性、冲击韧度，热处理时带状组织轻则会导致热变形过大，重者会造成应力集中，容易在铁素体、珠光体带状交界处开裂。

3.4 硫化物夹杂的形成及危害

硫化物夹杂主要是在钢凝固时由于硫的偏析，硫化物夹杂析出于树枝晶间。硫化物主要成分是MnS，熔点低，冷却速度越快析出的硫化物颗粒越小，冷却速度慢时，硫化物聚集长大最后凝固于中心部位的枝晶间。

以上几种缺陷都具有一定的遗传性。

4 销轴开裂原因分析

4.1 铁素体网、魏氏组织导致开裂

从图2 可见裂纹沿铁素体网、魏氏组织开裂。本质上来说，网状组织也是一种脱溶现象，在淬火组织应力作用下开裂。

4.2 夹杂物及带状组织导致开裂

从横截面低倍酸洗试样上可以看出，轴中心部位存在裂纹。这是由于轴心部位硫化物夹杂物破坏了金属基体的连续性，引起钢的热脆，轴心部位带状组织也是由于成分偏析未充分消除，尽管淬火处理后，其带状组织特征仍然存在[2]，引起销轴心部开裂。

所以，调质后的销轴组织形貌仍存在铁素体网、魏氏组织、带状组织和硫化物夹杂，是销轴在机加工过程中出现裂纹的主要原因。说明该销轴调质前其显微组织中铁素体网、魏氏组织和带状组织级别较高，淬火加热奥氏体化仍无法消除其缺陷组织，材料呈脆性，调质冷却后应力作用导致销轴开裂。

5 改进措施

5.1 严格控制原材料质量

原材料检验中必须进行铁素体网、魏氏组织和带状组织、非金属夹杂物等缺陷组织检查，对于缺陷组织严重的材料，做退货处理，以免给公司造成经济损失，甚至产生安全隐患。

5.2 调质前进行正火或退火处理

需要后序进行调质处理的材料，在调质前进行细化晶粒均匀组织的正火、退火等热处理。

5.3 消除缺陷组织

生产过程中如果发现严重的铁素体网、魏氏组织、带状组织，一般正火、退火解决不了，可采用高温正火、扩散退火或二次正火的方法加以消除。高温正火加热温度一般要在930℃～1 050℃，使碳原子充分扩散均匀，消除缺陷组织。

对于魏氏组织， 因其初始形成温度一般为750℃～690℃，终止形成温度一般为650℃～670℃[3]。所以热处理时严格控制冷却速度，避免魏氏组织形成。

6 结语

综上所述，45 钢调质销轴类零件，执行常规水—空交替控时淬火的工艺调质处理，一般不会发生开裂现象，属于成熟稳定的调质技术。该次开裂，从原材料检测、调质等过程追溯，并从裂纹形态及组织分析，得出结论，该销轴锻造过程未能彻底消除铁素体网、带状组织、未能细化硫化物夹杂。调质淬火冷却时又因截面积大，冷却速度介于淬火—正火之间导致魏氏组织产生，两方面因素作用致使45 钢调质销轴开裂。应加强技术管理及质量监督，彻底解决此类问题。