零件淬火裂紋分析,氰化冷速較慢，造成零件表面裂紋,
生產中經常出現滲碳或氰化后淬火裂紋，導致零件報廢，既影響生產進度，也造成不必要的經濟損失，因此分析產生裂紋原因，避免再現，至關重要。
1.問題描述
某單位生產4批零件，其加工工序如下：領料→車工→磨工→超聲波檢驗→車工→磨工→氰化→高溫回火→平磨→車工（開槽）→鉆工→鉗工→檢驗→淬火→回火→磨工→磁粉檢驗。
前3批零件勻一次性合格，第4批（29件）零件加工至回火工序吹砂后，發現大量零件表面出現裂紋，如圖1所示。
2.查熱處理加工原始記錄
清查該批熱處理實際加工的原始記錄紙，氰化830℃，保溫7h，冷卻箱+高溫回火650℃保溫5h10min空冷。淬、回火工藝：鹽爐810℃，保溫23min，油冷+冰冷處理-60℃，保溫3h，空冷+回火160℃，保溫2h20min，空冷，均符合工藝資料參數要求。
3.裂紋零件剖切分析
取表面裂紋的3個零件作外觀、斷口、成分、硬度以及金相組織等分析，其結果為：
（1）外觀檢查
如圖1所示，零件外圓面存在大量裂紋，各零件外圓面縱向裂紋數量不一。外圓面大部分縱向裂紋均貫穿開槽部位，槽口兩側裂紋周向位置基本一致且一一對應，應為同一條裂紋；部分縱向裂紋存在拐彎現象及擴展至端面。
（2）斷口檢查
將零件裂紋人工打開進行斷口觀察：整個斷口基本分為3個區域（見圖2）。最外層為原始裂紋區，裂紋深度基本一致，約為0.3mm，斷面氧化嚴重，無斷口特征（見圖3），經能譜分析，該區域內含少量O及微量S、Cl、K等元素。中間層為滲層范圍內人工打斷斷口，微觀形貌為準解理+少量韌窩（見圖4）；內層為基體人工打斷斷口，微觀形貌為等軸韌窩（見圖5）。
（3）成分檢查
經化學定量分析，結果如表1所示。
表1 12Cr2Ni4A化學成分分析（質量分數）（%）
分析元素 | C | S | Si | Mn | Cr | Ni | Fe |
分析結果 | 0.15 | 0.002 | 0.27 | 0.43 | 1.44 | 3.47 | 余 |
12Cr2Ni4A | 0.10～0.15 | ≤0.015 | 0.17～0.37 | 0.30～0.60 | 1.25～1.75 | 3.25～3.75 | 基 |
（4）硬度檢查
滲層部位：63.2HRC、63.3HRC；心部：38.4HRC、38.8HRC。
（5）金相檢查
剖切零件外圓面及頂部弧面裂紋，所有剖切的裂紋深度及形貌基本一致，深度均約為0.3mm，裂紋開口及寬度均較大，耦合性較差，尾端圓鈍，裂縫內可見大量氧化物，裂紋兩側基體可見大量彌散分布顆粒狀氧化物；腐蝕后觀察滲層表面存在一層厚約25μm的碳化物帶，裂紋開口兩側碳化物帶未沿裂紋分布，裂紋附近組織與正常部位無明顯差異，如圖6~8所示。零件滲層組織為細針馬氏體+碳化物，心部組織為板條馬氏體。
（6）滲層檢查
滲層深度及硬度梯度檢查結果如表2所示。
表2 滲層深度及硬度梯度檢查
位置 | 距表面垂直距離/mm | 有效硬化層深度/mm | |||||||
0.05 | 0.15 | 0.25 | 0.35 | 0.45 | 0.55 | 0.65 | 0.75 | ||
硬度梯度HV0.5 | |||||||||
裂紋附近1 | 789 | 766 | 757 | 754 | 709 | 642 | 585 | 513 | 0.70 |
裂紋附近2 | 774 | 771 | 766 | 759 | 713 | 640 | 585 | 527 | 0.71 |
正常部位1 | 813 | 799 | 787 | 761 | 715 | 645 | 577 | 527 | 0.70 |
正常部位2 | 812 | 805 | 792 | 757 | 713 | 647 | 582 | 528 | 0.71 |
4.分析與討論
通過對裂紋零件剖切結果，分析如下：
（1）零件外圓面縱向裂紋的數量、走向不一，故零件裂紋的產生與原材料狀態無關。
（2）由裂紋的剖切金相檢查可知，裂紋部位滲層深度與無裂紋部位深度及形貌均基本一致，裂紋開口部位碳化物層與正常部位無明顯差異，且碳化物未沿裂紋分布，裂紋附近滲層組織與同樣深度正常部位組織無明顯差異，由此可以判定氰化前零件表面無裂紋。
（3）從裂紋剖面形貌上看，所有裂紋深度基本一致，裂紋開口及內部寬度較大，耦合性差，尾端圓鈍，裂紋內部可見大量氧化物，裂紋兩側基體可見大量彌散分布顆粒狀氧化物，裂紋形貌不符合淬火應力裂紋形態特征，且淬火后續回火溫度僅為160℃，缺少產生大量氧化物的環境。由此可以排除淬火冷卻過程及后續過程開裂的可能。
（4）從零件槽口兩側裂紋的分布情況來看，大部份裂紋槽口兩側周向位置基本一致且一一對應，槽口兩側的裂紋應為同一條裂紋，由此可以判定裂紋應在開槽之前就已經存在；零件外圓面開槽為在淬火工序之前進行，故排除淬火過程中開裂的可能。
綜上所述該零件表面裂紋產生應在氰化工序與車工（開槽）工序之間。
5.調查熱處理加工過程
根據上述結果分析和判斷，排除淬火裂紋，繼續了解有關操作者實際加工過程，得知零件氰化后出爐，在轉至冷卻箱過程，吊車發生短期故障，導致零件在空中停留時間太長，造成零件表面氧化脫碳。
表層先形成極薄的一層托氏體組織，在下面保留一層未轉變的奧氏體，在隨后冷卻過程，使表面產生拉應力的作用，為宏觀裂紋產生創造了條件，在后續砂輪磨工和車工（開槽）過程中，殘留奧氏體轉變成馬氏體，造成表面的體積膨脹，由于該零件開槽較深，當磨削溫度達到250～300℃時，組織轉變加快，氰化層的脆性增大，加上冷卻不及時等造成磨削裂紋，其特征為裂紋沿著網狀滲碳體面形成微小波紋狀，零件在淬火后，由于組織應力和熱應力影響，擴大了原有的微裂紋，從零件表面裂紋看，裂紋只是沿著槽口，槽底并沒有出現裂紋。
6.結語
該零件由于氰化冷速較慢，導致砂輪磨削和車工（開槽）工序加工過程中，造成零件表面裂紋。
文/蔣誠，中國航發南方工業有限公司熱表處理中心
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