20CrMnTi鋼翼型軸承座磨削裂紋的金相分析
2012-06-19
作者：吳成偉
（萬向錢潮股份有限公司）
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翼型軸承座是汽車上的重要零件，如圖1所示。其材料為20CrMnTi鋼，工藝流程為：機加工—滲碳緩冷—重新加熱淬火—回火—磨削。熱處理技術要求為：磨加工后有效硬化層深0.80～1.20mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度25～45HRC，表面殘留奧氏體量不超過35%。
圖1 翼型軸承座
1 硬度、金相分析及化學成分分析
翼型軸承座磨削后用磁力探傷檢查出裂紋，裂紋方向與磨削方向垂直，裂紋極細，每個磨削平面多達3條裂紋。沿裂紋及磨削面垂直的方向用線切割機切樣，并與未磨削加工面切樣對比分析。制樣發現，裂紋深0.4mm，裂紋穿晶開裂，裂紋起始端有撕裂現象，寬度5μm左右，長0.2mm，裂紋擴展部分極細，沿晶界擴展，長度0.2mm，對試樣的磨削面和未磨削面表面洛氏硬度和顯微硬度、心部硬度、有效硬化層、金相組織、化學成分進行了檢測，結果如表1。由表1可見，化學成分及熱處理各項指標均符合技術要求。磨削表面硬度為60.5～61.5HRC，比未磨削面的硬度63.5HRC低2～3HRC，磨削表面顯微硬度Z低降低至569HV，而未磨削表面Z低為797HV。把裂紋試樣用4%硝酸酒精侵蝕后在顯微鏡下觀察，試樣表面有一層極薄的白亮層（約2μm），試樣表面用1.96N（0.2kgf）載荷檢測的顯微硬度比用9.8N（1kgf）載荷檢測的顯微硬度要高60HV。磨削試樣侵蝕后顏色較深，有明顯的磨削回火現象，金相組織為碳化物、回火馬氏體和殘留奧氏體，如圖2b；而未磨削部位試樣經腐蝕后顏色較淺，金相組織為彌散分布的球狀碳化物和回火馬氏體，殘留奧氏體量少于18%，如圖2c。
翼型軸承座磨削后用磁力探傷檢查出裂紋，裂紋方向與磨削方向垂直，裂紋極細，每個磨削平面多達3條裂紋。沿裂紋及磨削面垂直的方向用線切割機切樣，并與未磨削加工面切樣對比分析。制樣發現，裂紋深0.4mm，裂紋穿晶開裂，裂紋起始端有撕裂現象，寬度5μm左右，長0.2mm，裂紋擴展部分極細，沿晶界擴展，長度0.2mm，對試樣的磨削面和未磨削面表面洛氏硬度和顯微硬度、心部硬度、有效硬化層、金相組織、化學成分進行了檢測，結果如表1。由表1可見，化學成分及熱處理各項指標均符合技術要求。磨削表面硬度為60.5～61.5HRC，比未磨削面的硬度63.5HRC低2～3HRC，磨削表面顯微硬度Z低降低至569HV，而未磨削表面Z低為797HV。把裂紋試樣用4%硝酸酒精侵蝕后在顯微鏡下觀察，試樣表面有一層極薄的白亮層（約2μm），試樣表面用1.96N（0.2kgf）載荷檢測的顯微硬度比用9.8N（1kgf）載荷檢測的顯微硬度要高60HV。磨削試樣侵蝕后顏色較深，有明顯的磨削回火現象，金相組織為碳化物、回火馬氏體和殘留奧氏體，如圖2b；而未磨削部位試樣經腐蝕后顏色較淺，金相組織為彌散分布的球狀碳化物和回火馬氏體，殘留奧氏體量少于18%，如圖2c。
圖2 軸承座顯微裂紋形貌及組織 ×400
（a）磨削裂紋（未腐蝕）；（b）磨削裂紋處金相組織；（c）未磨削處金相組織
表1 試樣分析結果
2 滲碳層硬度梯度
對磨削部位和未磨削部位的滲碳淬火硬化層硬度梯度進行了測量，結果見圖3所示。從磨削部位的硬度梯度曲線看，硬度梯度曲線有明顯的低頭現象，Z高硬度出現在250μm處的次表層，表層50μm處的硬度為610HV，比次表層250μm處的硬度745HV低135HV，比未磨削部位表層硬度822HV低212HV（約9HRC）。磨削部位表面硬度用9.8N（1kgf）載荷檢測為569～586HV（相當于54HRC），比未磨削處表層硬度822HV低236～253HV。未磨削表面的硬度梯度曲線沒有低頭現象，Z高硬度在表層，說明磨加工時產生大量的熱，影響磨加工面深約0.3mm。
對磨削部位和未磨削部位的滲碳淬火硬化層硬度梯度進行了測量，結果見圖3所示。從磨削部位的硬度梯度曲線看，硬度梯度曲線有明顯的低頭現象，Z高硬度出現在250μm處的次表層，表層50μm處的硬度為610HV，比次表層250μm處的硬度745HV低135HV，比未磨削部位表層硬度822HV低212HV（約9HRC）。磨削部位表面硬度用9.8N（1kgf）載荷檢測為569～586HV（相當于54HRC），比未磨削處表層硬度822HV低236～253HV。未磨削表面的硬度梯度曲線沒有低頭現象，Z高硬度在表層，說明磨加工時產生大量的熱，影響磨加工面深約0.3mm。
圖3 滲碳層的硬度分布
1.磨削表面；2.未磨削表面
3 原因分析
（1）裂紋產生的主要原因是磨加工時磨削過烈（即磨削進給量大，砂輪自銳性差，冷卻不足等），產生大量的熱，使磨削面產生回火，嚴重時發生組織轉變形成二次淬火馬氏體，使工件在滲碳淬火時形成的表面壓應力變為拉應力，從而產生磨削裂紋。
（2）軸承座表面硬度過高也是產生磨削裂紋的原因之一，未磨削表面的硬度高達6315HRC，顯微硬度高達822HV，雖在公差范圍內，但已接近公差上限，Z好將表面硬度回火控制在60HRC左右。
（3）控制工件表層的碳化物形態和數量，塊狀碳化物和網狀碳化物容易引起磨削裂紋。
4 改進措施
改進磨削工藝，減少磨削余量；改進磨削方法，減少進給量，增加進給次數，定時修整砂輪，調整磨加工砂輪轉速和往復運動速度;在確保表面硬度符合技術要求的前提下，適當提高熱處理回火溫度，控制表面碳化物。
（1）裂紋產生的主要原因是磨加工時磨削過烈（即磨削進給量大，砂輪自銳性差，冷卻不足等），產生大量的熱，使磨削面產生回火，嚴重時發生組織轉變形成二次淬火馬氏體，使工件在滲碳淬火時形成的表面壓應力變為拉應力，從而產生磨削裂紋。
（2）軸承座表面硬度過高也是產生磨削裂紋的原因之一，未磨削表面的硬度高達6315HRC，顯微硬度高達822HV，雖在公差范圍內，但已接近公差上限，Z好將表面硬度回火控制在60HRC左右。
（3）控制工件表層的碳化物形態和數量，塊狀碳化物和網狀碳化物容易引起磨削裂紋。
4 改進措施
改進磨削工藝，減少磨削余量；改進磨削方法，減少進給量，增加進給次數，定時修整砂輪，調整磨加工砂輪轉速和往復運動速度;在確保表面硬度符合技術要求的前提下，適當提高熱處理回火溫度，控制表面碳化物。
來源：《金屬熱處理》
