42CrMo鋼是目前國內(nèi)普遍使用的中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，其淬透性較高，調(diào)質(zhì)處理后綜合力學(xué)性能優(yōu)良，是各類傳動軸的首選材料之一。在包括《熱處理手冊》在內(nèi)的權(quán)威資料給出的調(diào)質(zhì)熱處理工藝都采用油作為淬火介質(zhì)，然而一些尺寸較大的軸采用油淬火后有時(shí)會出現(xiàn)斷裂成數(shù)段的現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因又莫衷一是，無法做出準(zhǔn)確判斷并采取有效措施，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文從工藝、材料、冷卻過程等方面分析了42CrMo軸淬火斷裂的原因，并提出改進(jìn)措施。
1.基本情況
某破碎機(jī)傳動軸，材質(zhì)為42CrMo，經(jīng)下料→鍛造→正火→粗車后進(jìn)行調(diào)質(zhì)，技術(shù)要求260~300HBW。使用φ1000×3500井式電阻爐加熱，每次懸掛吊裝1件，隨爐升溫。使用20號機(jī)械油淬火，淬火時(shí)豎直入油，冷卻至室溫后出油，然后在同一設(shè)備及時(shí)回火，出爐后空冷，工藝曲線如圖1所示。在常規(guī)淬火出油后，有時(shí)會出現(xiàn)淬火斷裂的情況，其斷口形貌、尺寸和斷裂部位分別如圖2和圖3所示。
圖1 斷軸調(diào)質(zhì)工藝曲線圖
圖2 軸的斷口形貌
圖3 斷軸的尺寸及斷裂部位示意圖
2.檢測和分析
對斷軸的硬度、成分和低倍組織進(jìn)行了檢測。軸的不同部位的硬度略有差別，結(jié)果顯示軸部硬度為325~356HBW。軸退火處理后去除表面脫碳層取樣，其化學(xué)成分見表1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。退火后橫截軸檢查軸的低倍組織，酸浸檢驗(yàn)結(jié)果顯示，斷軸的一般疏松、中心疏松均≤級，合格；沒有發(fā)現(xiàn)縮孔、裂紋和白點(diǎn)等缺陷。又在斷軸上取樣，使用醫(yī)用白凡士林加熱后將試樣放入，沒有氣泡逸出，說明原材料經(jīng)退火后，氫含量極少。
表1 42CrMo鋼斷軸的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
從硬度檢查結(jié)果看，淬火后軸的表面硬度并不高，顯微組織應(yīng)為淬火索氏體組織，經(jīng)560℃回火后，硬度也能達(dá)到技術(shù)要求260~300HBW；低倍組織檢查合格，42CrMo是一種白點(diǎn)較敏感的鋼種，檢查中沒有發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，殘余氫含量基本沒有；仔細(xì)看材料的化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，碳、錳和鉬的含量偏上限，但符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從開裂斷口可以發(fā)現(xiàn)，裂紋由內(nèi)向外呈放射狀擴(kuò)展裂開，斷口平齊，見圖2，位于軸向的中部，如圖3所示。
根據(jù)以上的檢測結(jié)果，特別是軸的斷口形貌推斷：開裂可能主要是冷卻過程造成的，而與其他因素關(guān)系不大。裂紋源于軸的徑向心部、軸向中部，在冷卻過程中或結(jié)束后，軸的心部殘留了巨大的拉應(yīng)力，當(dāng)超過材料心部的強(qiáng)度形成裂紋并迅速擴(kuò)張，造成開裂。
圖1所示的軸的調(diào)質(zhì)工藝是經(jīng)過數(shù)十年生產(chǎn)實(shí)踐的，生產(chǎn)中偶爾有軸淬火斷裂情況，但工藝也從未受到質(zhì)疑，以前把此類情況的原因歸結(jié)于原材料問題，我們認(rèn)為也是有失公允的。為了驗(yàn)證以上推論，我們從工藝上，特別是淬火冷卻過程入手，以減小淬火殘留應(yīng)力為目的試驗(yàn)驗(yàn)證新的工藝。新工藝使用臺車式電阻爐加熱，每爐平裝2件，到溫后裝爐；淬火時(shí)，軸水平入水，水-空交替控時(shí)淬火，軸表面的溫度在200℃左右停止水冷，其調(diào)質(zhì)工藝如圖4所示。
圖4 42CrMo軸的新調(diào)質(zhì)工藝曲線圖
新工藝的淬火溫度降低為820℃，無需預(yù)冷即可進(jìn)行水-空交替控時(shí)淬火，這樣可大大減小淬火應(yīng)力。采用新工藝淬火后，軸的表面硬度能達(dá)到423HBW，因此，回火溫度比傳統(tǒng)工藝更高，軸的應(yīng)力也會更小。而且，采用新工藝淬火，變形小、無污染，也便于操作。采用新工藝兩年多來生產(chǎn)的各類42CrMo軸從未出現(xiàn)淬火橫向斷裂的情況。
3.分析與討論
熱處理過程是加熱、保溫和冷卻過程的有機(jī)結(jié)合，對于加熱和保溫階段，現(xiàn)有的控制手段和精度都是易于控制和觀測的，而對于冷卻過程，則一直是熱處理界研究和實(shí)踐所欠缺的，冷卻過程不受重視或缺乏手段是客觀存在的。
本文開裂的42CrMo軸是在冷卻過程中或冷卻結(jié)束時(shí)開裂的，對于淬火件來說，只有在最大拉應(yīng)力存在和作用的部位，才有致裂的可能性和危險(xiǎn)性。從裂紋的部位看，裂紋正好位于軸向中部和徑向心部，是軸向和徑向拉應(yīng)力最大的部位。軸出爐入油淬火后，一直在油中冷卻2h左右，這個冷卻過程大體可分為三個階段：
第一階段表面與淬火油的溫差很大，溫度很快降低，而心部則靠熱傳導(dǎo)傳熱，溫度降低得慢，因此表面收縮得快、收縮量大，心部收縮得慢收縮量小，因收縮量不同內(nèi)外相互產(chǎn)生作用力，表面因受心部抵制而脹大，產(chǎn)生拉應(yīng)力，而心部相反，產(chǎn)生壓應(yīng)力；
第二階段繼續(xù)冷卻時(shí)，應(yīng)力增大到一定值時(shí)，因軸溫度比較高，材料的屈服強(qiáng)度比較低，會產(chǎn)生塑性變形，松弛一部分彈性應(yīng)力，而且表面溫度下降得已經(jīng)較低，收縮量減小，而心部溫度還高收縮量大，這樣內(nèi)外相互脹縮的牽制作用減少，應(yīng)力減小至零。
繼續(xù)冷卻時(shí)進(jìn)入第三個階段，表面的溫度已接近淬火油的溫度，強(qiáng)度很高，基本上不會收縮，而心部溫度還較高，會繼續(xù)收縮，心部的收縮會受到表面持續(xù)的抑制，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力的持續(xù)作用，而表面是壓應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，心部產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展。這樣就最終導(dǎo)致軸的斷開。
冷卻介質(zhì)本身的冷卻特性對淬火斷裂的影響也很大。20號機(jī)械油的特性溫度較低，只有470℃左右，油的最大冷卻速度也遠(yuǎn)低于水，其冷卻速度過慢，無法繞開珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，有效截面較大的42CrMo軸，表面沒有淬火成馬氏體組織；而且其閃點(diǎn)僅150℃左右，易于燃燒，在冷卻過程中也不可能出油停止冷卻，整個冷卻時(shí)間又過長，表面已冷至室溫還繼續(xù)冷卻，這樣形成的殘留應(yīng)力就很大。最終用20號機(jī)械油冷卻結(jié)束后軸的殘留應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為熱應(yīng)力型的特點(diǎn)。
另外，淬火斷裂的軸的碳及合金含量較高，會使導(dǎo)熱性降低，如果存在一定程度的偏析則會在局部加劇這種情況，使內(nèi)應(yīng)力加大。這也是導(dǎo)致軸開裂的因素之一。
采用新工藝后，一方面是淬火加熱溫度降低后，減小了軸表面和心部的溫差，減少了熱應(yīng)力的作用；另一方面通過水-空交替控時(shí)淬火即能使冷去曲線繞過珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，達(dá)到淬硬的目的，本例尺寸的軸淬火硬度可達(dá)423HBW，又能快慢速冷卻的結(jié)合減小內(nèi)應(yīng)力，特別是軸表面在200℃左右停止水冷，消除了前述第三階段造成殘留應(yīng)力的情況，這對消除淬火開裂起到了很好的抑制作用。
4.結(jié)語
經(jīng)歷兩年多來生產(chǎn)證實(shí)，直徑在80~400mm的42CrMo軸采用新工藝淬火，硬度都在400HBW以上，整個淬火過程持續(xù)在5min左右，沒有產(chǎn)生過淬火斷裂的現(xiàn)象。這說明，淬火開裂的主要原因不在于是否采用較低淬火烈度的介質(zhì)，而在于冷卻過程是否能把殘留應(yīng)力降低到材料的斷裂強(qiáng)度以下；能否淬硬不在于延長冷卻時(shí)間和提高淬火溫度，而在于能否使過冷奧氏體避開珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)適當(dāng)冷卻。
今后應(yīng)把熱處理工程方面應(yīng)在冷卻過程控制、冷卻設(shè)備和冷卻過程仿真模擬等方面加大研究投入力度，這樣才能真正有效地控制變形、消除開裂，從而提高熱處理行業(yè)整體水平。
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