矫直断裂分析与预防

摘要：高淬透性材质，心部硬度高，脆性大，塑韧性小。由于热处理变形，导致产品在热处理后矫直困难，个别产品发生断裂。通过试验分析，调整结构上的应力集中，增加产品键槽圆滑过渡。设计新淬火工艺，降低产品心部硬度，提高其塑韧性，减少断裂问题发生，提高产品一次校直率。

关键词：脆性 矫直 热处理变形 断裂失效 心部硬度

在汽车、拖拉机和机械制造业中，20CrMnTiH钢主要用于制造齿轮。该钢冶炼时的淬透性控制要求为:①保证齿轮在随后的渗碳淬火时不产生热处理变形和淬火裂纹;②保证齿轮的心部具有足够的强度和适当的韧性，防止齿轮过早疲劳破坏[1]。国家标准GB5216-85“保证淬透性结构钢技术条件”给出的淬透性曲线带的J9处一般正常宽度均为12HRC，汽车厂向钢厂订货提出的要求是6-7HRC，甚至希望最好达到3-4HRC的宽度。我厂一中间轴产品，使用20CrMnTiH材质生产，在矫直过程中多个批次个别产品发生断裂，小部分产品矫直困难，即使加热辅助矫直也很难保证产品都能符合要求。对我厂产品进行了结构分析，断口分析，金相检测，并采取措施解决这一质量问题。

1 试验材料与断口分析

产品为某变速器中间轴，材料20CrMnTiH，其化学成分（质量百分数）为：

产品材质按GB/T4336检测，检测设备：直读光谱仪。

失效产品断口检测分析：宏观断口：轴的断裂部位发生在轴颈处（键槽与），断为两截，断裂面垂直于轴线方向，断口新鲜，在6.5X体式显微镜下观察，断裂源区是细瓷状断口，其余为粗大的放射状断口，是一次性脆性弯曲断裂特征。微观断口：用扫描电镜对断口进行微观分析，轴表面断裂源区为细瓷状断口，其余部位为解理断裂特征，未发现裂纹，夹杂等异常现象。材料和热处理质量符合相关技术要求。材料应控制缺陷，减少微观缺陷集中，产品减少应力集中。断裂破坏有两种常见的形式，即拉应力其主要作用引起的拉断和切应力起主要作用引起的剪断[2]。轴矫直断裂是由于弯曲应力大于大于其受能承受的最大应力，矫直困难是由于轴刚度较大，无塑性变形应力释放困难。轴部位键槽和附近加工刀痕，容易产生应力集中，而且缺陷或沟槽、台阶等形状越尖锐，材料强度越高，脆性越大[3]。断口分析表明断裂源区发生在轴的表面，当个别变形较大的轴在矫直时，载荷超过危险截面所能承受的最大载荷，发生一次脆性弯曲断裂。

2 试验方法

轴变形的影响因素，产品的对称性影响轴的变形趋势，加热和冷却均匀性影响轴变形的大小。故而产品外形和热处理设备一定，加热过程均匀性不变的情况下，轴弯曲变形的趋势无法改变，只能通过调整淬火冷却过程减少轴的弯曲变形量。20CrMnTiH是保证淬透性结构钢，他的淬透性有一定限制，批次之间变动较小，适合于大批量生产，变形规律比较稳定。由于高淬透性材料心部硬度普遍较高，脆性大塑韧性小，矫直过程困难，矫直力小轴弯曲不易矫直，矫直力大，轴易脆性断裂。利用其J9处心部硬度30-42HRC的特点，设计新的淬火程序，淬火时蒸汽膜阶段和沸腾阶段需要有足够的冷却能力，蒸汽膜要尽早破裂，以保证表面非马氏体符合标准要求，充足的中高温冷却能力保证零件的表面硬度、淬硬硬化层深符合图纸要求，降低低温阶段冷速，有效降低组织转变应力。通过分段式淬火程序，在保证产品金相质量的前提下，降低心部硬度使其更靠近下限，减少其弯曲变形倾向；减少马氏体转变量，降低心部硬度，减少弹性变形增加塑性变形，利于后期矫直。使用设备为AICHELIN环形连续炉，基础气氛为氮、甲醇，富化气为丙酮，在920℃，1.20%渗碳，好富顿G油淬火，竖直放置，满盘备料，不同批次随机抽样，其检测结果如下表2：

硬化层深检测按TES-003检测，检测设备：V氏硬度计MT90；表面和心部硬度按GB/T231-2002方法检测，检测设备：TH600布氏硬度计；组织和非马氏体检测按TES-003方法检测，检测设备：Olympus金相显微镜DX71。

3 试验结果与分析

从随即检测结果看，各项金相检测指标达到了试验预期目标，心部硬度普遍有所降低，D点心部硬度由40HRC降低到33HRC，基本达到了预期目标，接近其J9处30-42HRC的下限，且符合图纸要求。对后期矫直工序进行了多个批次跟踪，其变形与矫直情况如下：

工艺调整后产品弯曲变形量降低，一次矫直率提高至95%以上，减少了热校辅助，连续生产一年无断裂发生。由于热处理装炉生产的特点，总有部分位置加热和冷却过程中的状态较差，导致产品变形量也较大，但是产品的总体变形趋势得到改善，变形量在0.15mm以下的产品比重明显提高，通过产品结构圆角改进，热处理工艺改进等，产品矫直断裂得到有效解决，产品各项指标符合图纸，利于批量化生产。

适当降低产品心部硬度，增加产品塑韧性，可有效减少组织应力和热应力引起的轴弯曲变形，同时塑性变形可以钝化裂纹前沿，提高裂纹扩展门槛值[4]，阻碍裂纹进一步扩展，减少产品断裂的风险。金属材料除了铸铁淬火高碳钢等少数脆性材料外，一般金属材料变形都有弹性变形，塑性变形和最后断裂三个过程[5]。当受力达到屈服极限，开始塑性变形。随着变形的增加，需要进一步加大外力，故而矫直过程中需要逐次加力，一次受力过大仍然存在断裂的风险。热处理淬火工艺的调整仅能减低硬度梯度，减少脆性，增加塑韧性，需要合理设计和优化产品结构；完善矫直工艺；保证材料非金属夹杂物，尤其是氧化物，硅酸盐与氮化物；减少偏析引起的组织和化学成分不均匀；良好的热处理金相质量等，只有如此才能更好的解决轴类产品矫直断裂的问题。

参考文献：

[1]刘翔.热处理工艺对20CrMnTi齿轮组织与性能的影响[J].科技资讯，2010，17：252-254.

[2]汤安民，王静.几种金属材料断裂形式变化规律的试验分析[J].实验力学，2003，18(4)：440-444.

[3]朱智阳，董庆庆.20CrMnTi齿轮断裂原因分析[J].金属加工-热加工，2010.21：57-59.

[4]何子淑，梁益龙.疲劳裂纹扩展门槛值研究[J].贵州工业大学学报，2006，36(3)：21-23.

[5]石德珂.材料科学与基础[M].北京：机械工业出版社，2003.7：323-324.