楊 靜，胡華遠(yuǎn)，王永坤，薛 建，冉啟燕，楊 歡，范希杰，商榮凱,2

(1.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶 402162； 2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 402162)

某批20CrMnMo凸輪軸零件在滲碳空冷后均出現(xiàn)貫穿性裂紋，造成較大損失。為了找到裂紋產(chǎn)生的原因，同時(shí)為后續(xù)避免此類質(zhì)量問題采取措施，對(duì)斷口形貌、金相組織、能譜、硬度、化學(xué)成分等進(jìn)行測(cè)試和研究，并結(jié)合熱處理過程和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析。

1 問題概述

1.1 工藝流程

20CrMnMo材料凸輪軸產(chǎn)品加工工藝流程為：原材料→加工→600 ℃去應(yīng)力→機(jī)加工→ 925 ℃滲碳→空冷→機(jī)加工→淬火→機(jī)加工。

1.2 滲碳工藝

滲碳采用傳統(tǒng)井式滲碳爐，以甲醇作為載氣，丙酮作為富化氣。滲碳工藝曲線見圖1，925 ℃滲碳后直接出爐空冷。

1.3 裂紋宏觀形貌

問題產(chǎn)品宏觀裂紋形貌如圖2所示，產(chǎn)品表面出現(xiàn)了縱向貫穿性裂紋，裂紋粗細(xì)不均，走向剛直。將裂紋打開后觀察，如圖3所示，擴(kuò)展深度均勻，裂紋深度約3 mm，整體斷面較干凈，氧化情況不嚴(yán)重。

圖1 滲碳工藝曲線Fig.1 The curve of carburizing process

2 原因分析

2.1 斷口形貌分析

在圖3中兩個(gè)位置截取試樣進(jìn)行裂紋斷口形貌分析，并將樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)沖擊樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。位置1斷口裂紋起始于表面，斷口較平整，裂紋源處受到嚴(yán)重氧化，看不清斷口真實(shí)形貌，疑似存在原始微裂紋，深度約0.25 mm，如圖4所示。位置2斷口較干凈，裂紋源處主要為沿晶和撕裂的混合斷裂，混合斷裂區(qū)深度約為0.2 mm，與次表層斷口存在明顯界限，如圖5所示。

圖2 樣品裂紋外觀Fig.2 Crack appearance of the sample

圖3 裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of crack

圖4 位置1處斷口形貌Fig.4 Fracture morphology at position 1

2.2 金相分析

2.2.1非金屬夾雜物評(píng)定

非金屬夾雜物評(píng)定級(jí)別分別為：硫化物1級(jí)(細(xì)系)；氧化鋁類0.5級(jí)(細(xì)系)；硫酸鹽類0.5級(jí)(細(xì)系)球狀氧化物類0.5級(jí)(細(xì)系)；單顆粒球狀?yuàn)A雜物1級(jí)。

2.2.2晶界氧化

樣品表層有網(wǎng)狀晶界氧化現(xiàn)象，晶界氧化深度大約29 μm，氧化級(jí)別達(dá)5級(jí)，表面形態(tài)如圖6所示。

圖6 (a)裂紋處表面形態(tài)；(b)裂紋處內(nèi)氧化Fig.6 (a) surface morphology of crack；(b) internal oxidation at the crack

2.2.3金相組織

樣品滲碳層分為明顯的三層，表層為脫碳層，距表面深度約為0.04 mm，組織主要為鐵素體+塊狀碳化物；次表層組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+條狀或塊狀碳化物，距表面深度約為0.16 mm；第三層為滲碳層內(nèi)層，組織為片狀珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，距表面深度為3.4 mm。根據(jù)鐵素體網(wǎng)法測(cè)得滲碳層晶粒度為6級(jí)，滲碳層總深度為3.6 mm，如圖7所示。芯部組織為鐵素體+珠光體+上貝氏體，根據(jù)鐵素體網(wǎng)法晶粒度級(jí)別為6級(jí)，如圖8所示。

2.3 元素分布

對(duì)圖3中位置1處的裂紋源區(qū)進(jìn)行能譜分析，譜圖1、譜圖2位置為疑似原始裂紋區(qū)表面，主要為O、Fe元素；譜圖3位置為較為干凈表面區(qū)域，主要為Fe元素，如圖9和表1所示。

(a)滲碳層表層；(b)滲碳層次表層；(c)滲碳層內(nèi)層圖7 裂紋處金相組織(a)outer layer of carburizing layer; (b) subsurface layer of carburizing layer; (c)inner layer of carburizing layerFig.7 Microstructure of the crack

圖8 樣品芯部組織Fig.8 Microstructure of sample at the core

2.4 硬度

硬度值測(cè)試取三點(diǎn)平均值，滲碳層表層、次表層和內(nèi)層硬度分別為155、349和 367 HV；未滲碳層芯部硬度為273 HV。

圖9 能譜分析位置Fig.9 Position for energy spectrum analysis

表1 位置1處元素分布

2.5 化學(xué)成分

在斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。

表2 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 分析與討論

裂紋宏觀形貌可以看出，樣品滲碳后空冷，外表面顏色有一定程度發(fā)黃，并不是嚴(yán)重的氧化色。因此，不能簡(jiǎn)單判斷裂紋是由于滲碳后空冷造成的氧化脫碳。

位置1的斷口掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)裂紋始于表面，裂紋源處有嚴(yán)重的氧化脫碳，深度約0.25 mm，疑似為原始裂紋。結(jié)合能譜分析，可知此裂紋源區(qū)主要為O、Fe元素，這可能是原始裂紋在滲碳后直接空冷過程中高溫氧化所致。位置2的斷口掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口較為干凈，裂紋源處為沿晶和撕裂混合斷口。結(jié)合能譜分析，該區(qū)域主要為Fe元素，這應(yīng)該為滲碳后出爐空冷過程中內(nèi)應(yīng)力較大造成的延伸裂紋。樣品化學(xué)成分和非金屬夾雜均符合要求，可以排除這方面因素的影響。

文獻(xiàn)[1-2]指出，20CrMnMo鋼制工件滲碳后空冷導(dǎo)致滲碳層出現(xiàn)不平衡的異常產(chǎn)物，造成次表層共析層為馬氏體，馬氏體體積膨脹使零件表面受拉應(yīng)力，當(dāng)組織應(yīng)力超過強(qiáng)度極限σb時(shí)導(dǎo)致工件開裂。而本文對(duì)樣品的開裂部位進(jìn)行金相組織觀察和能譜分析，并未發(fā)現(xiàn)前述文獻(xiàn)指出的不平衡異常產(chǎn)物，次表層為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+條狀或塊狀碳化物，碳化物較為嚴(yán)重，達(dá)4級(jí)。同時(shí)對(duì)滲碳層由表及里進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，次表層硬度在350 HV1左右，內(nèi)層硬度在370 HV1左右，均未達(dá)到馬氏體硬度，因而次表層未出現(xiàn)馬氏體組織。由此可以判斷，本文發(fā)現(xiàn)的開裂現(xiàn)象與前述文獻(xiàn)研究有所不同。

在表層發(fā)現(xiàn)有一定程度的內(nèi)氧化現(xiàn)象，這是普通氣體滲碳的常見現(xiàn)象，并不必然產(chǎn)生裂紋，但裂紋源處有嚴(yán)重的塊狀碳化物，達(dá)到4級(jí)，這是滲碳時(shí)碳勢(shì)偏高所致，在一定條件下易造成零件開裂。

滲碳后直接出爐空冷存在一定的缺陷，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，同時(shí)會(huì)造成零件一定程度的氧化，易造成存在原始缺陷的零件開裂。

4 結(jié)論和建議

1)送檢樣品可能存在原始裂紋，在滲碳后出爐空冷過程中造成高溫氧化，在熱應(yīng)力的作用下造成撕裂；

2)裂紋源處存在嚴(yán)重的塊狀碳化物，這對(duì)出現(xiàn)沿晶斷裂起到促進(jìn)作用；

3)建議后期原材料進(jìn)廠應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷，滲碳時(shí)應(yīng)降低碳勢(shì)，以控制碳化物形態(tài)和級(jí)別，避免出現(xiàn)較嚴(yán)重的塊狀、網(wǎng)狀等碳化物；

4)建議滲碳結(jié)束通入氮?dú)怆S爐降溫至500 ℃以下出爐空冷，以減小空冷過程中的氧化和熱應(yīng)力。