曲轴法兰开裂失效分析

文／刘洋洋，李军迎，吴傲宗，刘金蕾，宋国品·第一拖拉机股份有限公司铸锻厂

曲轴是发动机的重要零部件，工作时要承受很大的转矩以及交变的弯曲应力，容易产生扭振、折断及轴颈磨损，因此曲轴需要有较高的强度、冲击韧度、疲劳强度和耐磨性。因感应淬火具有高效、节能、运行可控等优点，现已成为曲轴的主要表面强化方式之一。我厂锻造的一批曲轴在客户经机加工→感应淬火→磨削后在出现一定比例(约6%)的大头法兰处开裂，为澄清事故责任，查明开裂原因，及时采取措施进行整改，降低后续隐性质量损失，要求我厂对曲轴进行失效分析。

该曲轴材料为42CrMoH，主要制造工艺流程为：下料→锻造→正火→调质→机加工→感应淬火→精加工→磁粉探伤→清洗。客户在磨削加工后发现开裂，从曲轴加工工艺流程分析，原材料缺陷、锻造折叠、调质淬火裂纹、感应淬火裂纹及磨削加工操作不当等都可能造成曲轴开裂，因此利用排除法进行排除分析。

理化检验

宏观形貌

曲轴裂纹件经CDG-4000 型荧光磁粉探伤检验，裂纹宏观形貌及分布如图1 所示，裂纹为纵向裂纹，分布在曲轴大头法兰分模面处，长度约6mm。

表1 失效曲轴的化学成分(wt%)

图1 曲轴裂纹宏观照片

化学成分检测

在开裂曲轴上进行取样，采用直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1 所示，开裂曲轴的各项化学成分均符合GB/T 5216-2014《保证淬透性结构钢》中对42CrMoH 钢的技术要求。

非金属夹杂、带状组织及材料淬透性检测

⑴非金属夹杂物。

曲轴轴向取样，按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》中的ISO 评级图评定样块的非金属夹杂物，检测微观组织见图2，检测结果：A 类(细系)1.5 级，D 类(粗系)0.5 级，未发现B、C、D 类的非金属夹杂物。材质要求A 类不大于2.5 级，D 类粗系不大于1.0 级，此曲轴材料的非金属夹杂物符合技术要求。

⑵带状组织。

图2 试样非金属夹杂物(100×)

图3 带状组织(100×)

切取试样加热至880℃，保温30分钟后随炉冷却，经研磨→抛光→腐蚀后，将试样放置在光学显微镜下观察带状组织(图3)，依据GB/T 13299-1991《钢的显微组织评定方法》评定级别为3 级，符合技术要求。

⑶材料淬透性。

在曲轴本体上切取试样进行端淬试验，按照GB/T 225-2006《钢的淬透性末端检测方法》和GB/T 5216-2014《保证淬透性结构钢》对材料进行加工、试验。检测材料淬透性，检测距淬火端距离J3、J5....J20 的硬度值分别为：59.5HRC、58HRC、57HRC、57HRC、56HRC、50HRC、45HRC，该检测结果符合标准要求。

显微组织分析

检测试样表面显微组织与淬硬层一致，未见明显二次淬火层及回火层。过渡区为铁素体+珠光体。基体显微组织为回火索氏体，如图4 所示，依据GB/T 13320-2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》评定级别为2 级，符合产品技术要求。

在曲轴的裂纹处垂直于裂纹取样，用蔡司Axio Lab A1 金相显微镜观察，裂纹形貌见图5，裂纹深度约1.4mm，由表向里延伸，延伸方向与表面垂直，裂纹曲折但宏观刚挺，呈沿晶开裂特征。试样经4%硝酸酒精腐蚀后，显微组织如图5 所示，曲轴淬硬层组织为隐针马氏体，按JB/T 9204-2008《钢件感应淬火金相检验》金相评级为6 级，产品技术要求3 ～7级，符合产品要求。裂纹两侧无脱碳现象，内部未见明显氧化物。

图4 基体组织(500×)

淬硬层深及硬度检测

曲轴大头法兰处淬硬层轮廓如图6 所示，淬硬层轮廓均匀一致。用维氏硬度计对裂纹处表面硬度及淬硬层深进行检测，表面硬度52 ～53HRC，淬硬层深1.7mm，淬硬层深测至42HRC，层深检测结果见图7。法兰层深要求1 ～3mm，表面硬度50 ～56HRC，符合技术要求。

分析与讨论

⑴曲轴的化学成分符合GB/T 5216-2014 中对42CrMoH 钢的要求，非金属夹杂物含量、材料淬透性也控制在正常范围内；带状组织3 级，不是造成开裂的原因，曲轴材料符合要求。

⑵如果原材料有内裂纹或中心疏松等缺陷，在锻造或热处理过程中由于加工应力及热应力的影响在缺陷处会产生开裂，延展到材料表面，或者材料锻造时产生的“折叠”在调质时未发现，后续经中频淬火后，在磨削加工时发现，这两种裂纹形态较深且宽。同时因材料经过高温锻造加调质处理，在金相显微镜下观察断面，可清楚地看到裂纹两侧有脱碳层。但是此裂纹两侧未见脱碳层，且裂纹形态较细，可以排除原材料内部缺陷和锻造折叠造成的开裂。

图5 曲轴金相组织及裂纹形态

图6 淬硬层轮廓

图7 显微硬度检测

⑶调质工艺参数不合理造成的淬火开裂，裂纹两侧无脱碳层，但在感应淬火时会影响感应淬火硬化层的分布。无缺陷的金属基体在感应加热时涡流影响区均匀加热，淬硬层较均匀。当基体有缺陷时，缺陷内部就相当于一种“磁阻”，磁力线趋向于沿基体中磁导率较高的缺陷边界分布，缺陷边界的磁通密度增加，从而形成一个包络缺陷的高密度涡流区，感应淬火后缺陷末端的淬硬层较其他位置深度增加。同时调质裂纹一般在淬火过程中产生，后续在高温回火时裂纹内部会产生明显氧化物。通过观察，裂纹试样淬硬层(图6)轮廓均匀一致，裂纹内部无明显氧化物，结合此两点可排除调质裂纹的可能性。

⑷磨削裂纹一般是零件在磨削加工时，因冷却不当使零件表面的温度高于Ac3淬火产生的微裂纹，或因将其表面快速加热至150 ～200℃时(磨削温度在300℃以上时，因体积再次缩小造成的磨削裂纹成龟裂特征，与此裂纹形态不符可直接排除)，表层马氏体分解，体积缩小，而心部组织仍处于膨胀状态，从而使表面层承受拉应力而产生与磨削方向垂直或平行的微细裂纹。磨削裂纹特征：深度较浅，一般在0.5mm以下，数量较多且密。此批曲轴裂纹数量为1 ～2 条不等。此剖检试样的表面未见二次淬火层和回火层，深度和数量也不符合磨削裂纹的特征，结合这两点可排除磨削裂纹的可能性。

⑸曲轴经中频感应加热淬火后，轴颈形成表面受压、中间受拉或受压的应力分布特点，拉应力峰值位置在靠近硬化层内侧处，或在硬化层结束的过渡区中，此处通常是零件失效的高发区，即感应淬火出现开裂的起始位置。失效曲轴裂纹深度1.4mm，淬硬层深度1.7mm，与此特征吻合。此裂纹曲折但整体刚挺，沿晶开裂，符合淬火裂纹特征，另外曲轴分模面是锻造多余金属流出形成飞边的中心面，因表面与心部金属流动速率不同形成的层状结构，抗撕裂能力较差。结合以上特点，确定该曲轴裂纹应为感应淬火工艺过程中产生的。

分析形成原因

通过分析和排除因素，最终确定曲轴开裂是感应淬火工艺过程控制不当造成的，并分析其形成原因。

⑴曲轴感应淬火组织为6 级，晶粒度较细，可能因曲轴加热功率高，加热速度快造成温度梯度大，淬火层中的过渡层较小，拉应力峰值较大且接近表面硬化层，当淬火应力超出材料强度时造成开裂。

⑵曲轴淬火后未能及时回火或回火不充分，淬火残余应力过大，感应淬火后出现延迟裂纹。

改进意见

⑴适当降低加热功率，提高加热时间，降低温度梯度，增加淬硬层深，使拉应力峰值向中心移动，峰值降低，降低淬火应力开裂风险。

⑵曲轴感应淬火后应及时进行回火并适当延长回火时间，使淬火残余应力充分释放，防止产生延迟裂纹。

⑶适当提高淬火介质浓度并定期检测介质的有效性，或选用更优质的淬火介质，减缓Ms点以下的冷却速度，防止开裂。