Page 53 - 理化检验-物理分册2020年第二期

甘美露, 等: ４２CrMo钢蜗杆开裂原因分析

现渗氮层可以判断裂纹的产生是在渗氮工艺之前.
裂纹垂直方向硬度测试结果显示, 渗氮影响层厚度
约为 ０．８mm .蜗杆毛坯淬火态表面残余应力测试
结果为拉应力, 应力为 ３０５ MPa .蜗杆化学成分满
足 GB / T３０７７－２０１５ 对 ４２CrMo钢的成分要求, 但
锰的质量分数在标准规定值的上限.锰质量分数高
会增加奥氏体相冷却时的过冷度, 降低钢的淬火温
度, 并增大淬火应力, 使淬裂的倾向变大.
图 ８ 硬度测试打点位置 从裂纹的宏、 微观形貌来看, 裂纹起源于蜗杆毛
Fi g 敭８ Hardnesstestdotlocation 坯表面后往心部扩展, 裂纹呈锯齿状, 有沿晶开裂特
征, 裂纹起始端较宽, 末端裂纹呈细尖状, 主裂纹尾
端可见微裂纹存在, 上述特征具有全淬透工件淬火
纵向裂纹的典型特征 [ ２ ] .综上分析, 此裂纹应该是
在调质热处理工艺的淬火阶段形成, 而淬火应力过
大是导致该蜗杆淬火开裂的直接原因.
蜗杆毛坯淬火时从奥氏体化温度急速冷却会产
生热应力, 而在马氏体转变的起始温度( Ms 温度)
以下发生的马氏体转变则会产生相变应力.因此淬
图 ９ 硬度测试结果
火冷却阶段蜗杆毛坯所受的应力是热应力与组织应
Fi g 敭９ Hardnesstestresult
渗氮层的硬度变化趋势如图 １０ 所示, 可见表面硬度 力的叠加应力, 这两种应力的相互作用使淬火应力
较高接近 ８００ HV０．０５ , 随后硬度逐渐降低, 距表面 变得极其复杂 [ ３Ｇ５ ] .首先, 淬火开始时先由热应力起
０．８ mm 后 硬 度 趋 于 稳 定, 稳 定 后 的 硬 度 约 为 主导作用.在淬火温度开始冷却的初始阶段, 蜗杆
的表层温度会迅速降低, 这时因热胀冷缩效应, 表面
３５０HV０．０５ .
发生体积收缩, 而内部的温度还较高, 体积收缩不均
匀, 表层产生压应力, 内部产生拉应力.在冷却到马
氏体开始相变温度的过程中, 组织未发生变化, 只是
热应力的变化.冷却速度越快, 材料中碳和合金元
素的质量分数越高, 冷却过程中产生的不均匀变形
就越大, 残余应力就会越大, 但是在此过程中材料一
般不会产生裂纹.当冷却到马氏体相变温度以下
时, 原奥氏体相向马氏体相转变, 比容增大, 并且会
图 １０ 从表面到心部的硬度变化趋势 伴随体积的膨胀.蜗杆表面先到达马氏体转变温度
Fi g 敭１０ Tendenc y chan g eofthehardnessfromsurfacetocenter 形成马氏体, 而心部转变较滞后, 后形成马氏体时的
体积膨胀会受到表层的制约, 这样会使表层组织受
２ 分析与讨论
拉应力, 心部受压应力.
开裂蜗杆基体及裂纹附近的夹杂物情况较好, 所以在淬火冷却时, Ms 温度以上仅存在热应
未发现明显有害夹杂物, 表明该蜗杆材料的洁净度 力机制, 而在 Ms 温度以下两种机制同时存在, 但是
较好.蜗杆基体显微组织为回火索氏体, 显微组织 马氏体相变引起的线膨胀量大于热膨胀量约一个数
无明显异常, 从显微组织可以判断, 蜗杆已 完全淬 量级, 所以 Ms 温度以下组织应力机制会起主要作
透, 测得蜗杆调质后显微组织的晶粒度为 ９ 级.上 用 [ ６Ｇ８ ] , 表面残余应力测试结果为 ３０５ MPa 也证实
述结果表明蜗杆调质热处理工艺无异常. 了以上 分 析. 纵 向 裂 纹 经 常 出 现 在 全 淬 透 构 件
裂纹两侧表面可见白亮层, 厚度约为 ２０ μ m , 由 上 [ ９ ] , 这是因为全淬透构件相变应力较高, 在表面容
硬度及能谱测试结果确认其为渗氮层, 裂纹表面出 易产生拉应力, 并且对于圆柱件来说, 切向应力会高
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