20CrMnTi钢翼型轴承座磨削裂纹的金相分析
2012-06-19
作者：吴成伟
（万向钱潮股份有限公司）
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翼型轴承座是汽车上的重要零件，如图1所示。其材料为20CrMnTi钢，工艺流程为：机加工—渗碳缓冷—重新加热淬火—回火—磨削。热处理技术要求为：磨加工后有效硬化层深0.80～1.20mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度25～45HRC，表面残留奥氏体量不超过35%。
图1 翼型轴承座
1 硬度、金相分析及化学成分分析
翼型轴承座磨削后用磁力探伤检查出裂纹，裂纹方向与磨削方向垂直，裂纹极细，每个磨削平面多达3条裂纹。沿裂纹及磨削面垂直的方向用线切割机切样，并与未磨削加工面切样对比分析。制样发现，裂纹深0.4mm，裂纹穿晶开裂，裂纹起始端有撕裂现象，宽度5μm左右，长0.2mm，裂纹扩展部分极细，沿晶界扩展，长度0.2mm，对试样的磨削面和未磨削面表面洛氏硬度和显微硬度、心部硬度、有效硬化层、金相组织、化学成分进行了检测，结果如表1。由表1可见，化学成分及热处理各项指标均符合技术要求。磨削表面硬度为60.5～61.5HRC，比未磨削面的硬度63.5HRC低2～3HRC，磨削表面显微硬度Z低降低至569HV，而未磨削表面Z低为797HV。把裂纹试样用4%硝酸酒精侵蚀后在显微镜下观察，试样表面有一层极薄的白亮层（约2μm），试样表面用1.96N（0.2kgf）载荷检测的显微硬度比用9.8N（1kgf）载荷检测的显微硬度要高60HV。磨削试样侵蚀后颜色较深，有明显的磨削回火现象，金相组织为碳化物、回火马氏体和残留奥氏体，如图2b；而未磨削部位试样经腐蚀后颜色较浅，金相组织为弥散分布的球状碳化物和回火马氏体，残留奥氏体量少于18%，如图2c。
翼型轴承座磨削后用磁力探伤检查出裂纹，裂纹方向与磨削方向垂直，裂纹极细，每个磨削平面多达3条裂纹。沿裂纹及磨削面垂直的方向用线切割机切样，并与未磨削加工面切样对比分析。制样发现，裂纹深0.4mm，裂纹穿晶开裂，裂纹起始端有撕裂现象，宽度5μm左右，长0.2mm，裂纹扩展部分极细，沿晶界扩展，长度0.2mm，对试样的磨削面和未磨削面表面洛氏硬度和显微硬度、心部硬度、有效硬化层、金相组织、化学成分进行了检测，结果如表1。由表1可见，化学成分及热处理各项指标均符合技术要求。磨削表面硬度为60.5～61.5HRC，比未磨削面的硬度63.5HRC低2～3HRC，磨削表面显微硬度Z低降低至569HV，而未磨削表面Z低为797HV。把裂纹试样用4%硝酸酒精侵蚀后在显微镜下观察，试样表面有一层极薄的白亮层（约2μm），试样表面用1.96N（0.2kgf）载荷检测的显微硬度比用9.8N（1kgf）载荷检测的显微硬度要高60HV。磨削试样侵蚀后颜色较深，有明显的磨削回火现象，金相组织为碳化物、回火马氏体和残留奥氏体，如图2b；而未磨削部位试样经腐蚀后颜色较浅，金相组织为弥散分布的球状碳化物和回火马氏体，残留奥氏体量少于18%，如图2c。
图2 轴承座显微裂纹形貌及组织 ×400
（a）磨削裂纹（未腐蚀）；（b）磨削裂纹处金相组织；（c）未磨削处金相组织
表1 试样分析结果
2 渗碳层硬度梯度
对磨削部位和未磨削部位的渗碳淬火硬化层硬度梯度进行了测量，结果见图3所示。从磨削部位的硬度梯度曲线看，硬度梯度曲线有明显的低头现象，Z高硬度出现在250μm处的次表层，表层50μm处的硬度为610HV，比次表层250μm处的硬度745HV低135HV，比未磨削部位表层硬度822HV低212HV（约9HRC）。磨削部位表面硬度用9.8N（1kgf）载荷检测为569～586HV（相当于54HRC），比未磨削处表层硬度822HV低236～253HV。未磨削表面的硬度梯度曲线没有低头现象，Z高硬度在表层，说明磨加工时产生大量的热，影响磨加工面深约0.3mm。
对磨削部位和未磨削部位的渗碳淬火硬化层硬度梯度进行了测量，结果见图3所示。从磨削部位的硬度梯度曲线看，硬度梯度曲线有明显的低头现象，Z高硬度出现在250μm处的次表层，表层50μm处的硬度为610HV，比次表层250μm处的硬度745HV低135HV，比未磨削部位表层硬度822HV低212HV（约9HRC）。磨削部位表面硬度用9.8N（1kgf）载荷检测为569～586HV（相当于54HRC），比未磨削处表层硬度822HV低236～253HV。未磨削表面的硬度梯度曲线没有低头现象，Z高硬度在表层，说明磨加工时产生大量的热，影响磨加工面深约0.3mm。
图3 渗碳层的硬度分布
1.磨削表面；2.未磨削表面
3 原因分析
（1）裂纹产生的主要原因是磨加工时磨削过烈（即磨削进给量大，砂轮自锐性差，冷却不足等），产生大量的热，使磨削面产生回火，严重时发生组织转变形成二次淬火马氏体，使工件在渗碳淬火时形成的表面压应力变为拉应力，从而产生磨削裂纹。
（2）轴承座表面硬度过高也是产生磨削裂纹的原因之一，未磨削表面的硬度高达6315HRC，显微硬度高达822HV，虽在公差范围内，但已接近公差上限，Z好将表面硬度回火控制在60HRC左右。
（3）控制工件表层的碳化物形态和数量，块状碳化物和网状碳化物容易引起磨削裂纹。
4 改进措施
改进磨削工艺，减少磨削余量；改进磨削方法，减少进给量，增加进给次数，定时修整砂轮，调整磨加工砂轮转速和往复运动速度;在确保表面硬度符合技术要求的前提下，适当提高热处理回火温度，控制表面碳化物。
（1）裂纹产生的主要原因是磨加工时磨削过烈（即磨削进给量大，砂轮自锐性差，冷却不足等），产生大量的热，使磨削面产生回火，严重时发生组织转变形成二次淬火马氏体，使工件在渗碳淬火时形成的表面压应力变为拉应力，从而产生磨削裂纹。
（2）轴承座表面硬度过高也是产生磨削裂纹的原因之一，未磨削表面的硬度高达6315HRC，显微硬度高达822HV，虽在公差范围内，但已接近公差上限，Z好将表面硬度回火控制在60HRC左右。
（3）控制工件表层的碳化物形态和数量，块状碳化物和网状碳化物容易引起磨削裂纹。
4 改进措施
改进磨削工艺，减少磨削余量；改进磨削方法，减少进给量，增加进给次数，定时修整砂轮，调整磨加工砂轮转速和往复运动速度;在确保表面硬度符合技术要求的前提下，适当提高热处理回火温度，控制表面碳化物。
来源：《金属热处理》
