伏秒特性的绘制方法和含义
包装箱制作岳峰;郭永林;纪仁峰
【摘 要】对42CrMoH钢汽车半轴静扭转试验的断口形貌、化学成分、金相组织等分析,结果表明材料碳含量偏高且碳偏析严重是造成半轴静扭断口异常的主要原因,并提出预防措施. 【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2017(038)005
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】42CrMoH钢;半轴;静扭;断口;分析
【作 者】岳峰;郭永林;纪仁峰
【作者单位】宝钢特钢韶关有限公司,广东韶关512123;桂林福达股份有限公司,广西桂林541199;宝钢特钢韶关有限公司,广东韶关512123
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【正文语种】中 文
【中图分类】TG142.1;TG245
汽车半轴是汽车传动总成中的一个重要零件，是连接差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其一端通过花键与半轴齿轮连接，另一端通过法兰与轮毂连接。由于其特殊的工作条件，运行过程中会承受磨损、冲击、交变弯曲载荷和静扭转的作用。要求生产半轴的材料具有足够的抗弯强度、抗剪强度和较好的韧性[1]。通常采用40Cr、42CrMoH等中碳合金钢，经适当热处理后，获得强度、塑形和韧性的良好配合。
某汽车配件加工企业使用我司生产的φ60 mm规格的42CrMoH圆钢，加工为汽车半轴后，在作静扭转试验时，发现部分半轴的断口有碎裂的现象，呈棘轮状或沿45°方向剪切断裂。为了分析42CrMoH钢汽车半轴静扭转断裂的原因，对半轴的生产工艺进行调查，并对断裂的半轴取样进行分析研究。 为验证半轴的扭矩、扭转角、断裂部位及断口形貌等性能指标是否满足要求，在静扭转试验机上进行静扭试验。发现半轴的扭矩、扭转角满足要求，花键离合能够自由滑动，断裂
位置基本在靠近法兰端1/3处，存在部分半轴的断口碎裂，不符合要求，一种呈棘轮状，如图1(a)；另一种呈沿45°方向剪切断裂，如图1(b)；合格半轴的断口平滑，如图1(c)。
半轴材质为φ60 mm规格的42CrMoH钢，其生产工艺：原材料表面剥皮(剥至φ58 mm)→下料→加热→热锻→摆碾→抛丸→机加工→调质热处理→中频淬火(杆部)→回火→校直→磁粉探伤→静钮试验检测。
为确定造成半轴断口形貌异常的原因，分别取异常断口的半轴和正常平滑断口的半轴进行对比分析。呈棘轮状断口、呈沿45°方向剪切断裂和合格半轴的试样编号分别为1#、2#、3#试样，进行成分、高低倍组织等性能检验。
1.3.1 化学成分
对三种半轴取样做光谱成分分析，结果如表1所示。
1.3.2 低倍形貌
从半轴断口附近取样，经热酸腐蚀后观察低倍形貌，如表2、图2所示。
1.3.3 非金属夹杂物
在断口附近检测半轴的纵截面夹杂物，半轴的非金属夹杂物级别如表3所示。
1.3.4 碳偏析
在断口附近取样检测横截面的碳偏析情况，如表4所示。
1.3.5 金相组织
三种试样的金相组织无明显差异，表层组织为马氏体，如图3(a)所示，淬硬层深度约10 mm；心部组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体，如图3(b)所示。
1#、2#试样的碳含量满足GB/T 222中合金钢成品化学成分允许的偏差，但超出GB/T 5216中42CrMoH的成分常规要求，其余各元素含量均符合GB/T 5216的要求。三种半轴的成分存在一定的差异，3#试样的碳含量较1#、2#试样的碳含量低，而Si、Mn、Cr含量较1#、2#试样高，而随着碳含量的增加钢的塑韧性有变差的倾向。1#、2#试样的碳偏析比较严重，近边部与1/2半径之间整体为正偏析，靠近边部与中心的碳偏差达到0.053%、0.069%；而3#试样边部与中心的碳偏差为0.031%。
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断口异常半轴的低倍酸蚀试样上存在径向裂纹，低倍组织级别与平滑断口的半轴的低倍组织级别无明显差异。三种半轴均不存在异常粗大夹杂，且非金属夹杂物级别相同。从金相组织分析，半轴成型后的整体调质处理过程中，表层在淬火过程中形成淬火马氏体，经高温回火后形成回火索氏体。心部受实际淬透效果的影响，淬火后除马氏体外，还有少量未淬透的贝氏体和铁素体，经高温回火后形成回火索氏体+贝氏体+少量铁素体；经后续杆部中频淬火，半轴表层温度达到奥氏体化温度，经淬火和低温回火后形成回火马氏体，由于中频加热的特点，心部组织保留中频淬火前的组织[2-3]。
半轴在静扭转试验过程中承受磨损、冲击和周期性的扭转负荷，工况相对复杂，要求半轴表面具有耐磨性和较高的强硬度，同时心部要有较好的韧性。由于半轴的材料缺陷、锻造缺陷、热处理缺陷和载荷等原因，会导致半轴的早期失效。半轴的失效形式有磨损、弯曲变形、断裂。断裂失效有平齐断裂、半轴法兰盘掉盘、半轴花键扭断、轴部45°剪切断裂、半轴棘轮状断裂等[4]。在静扭转试验中在满足扭角和扭矩的前提下希望得到平滑断口，棘轮状断口和45°剪切断裂均属于异常断口。
由于半轴所用的材料均为探伤合格的圆钢，且在半轴加工过程中会单边剥除1 mm，因此可
以排除以原材料表面缺陷或材料转运过程的擦伤等缺陷为裂纹源，造成半轴异常断裂的可能性。半轴组织与热处理工艺对应，且不存在局部异常组织，裂纹附近无异常夹杂，半轴在扭转试验前的探伤工序未发现表面裂纹，所以可以确定半轴断口异常不是由于组织异常、异常夹杂及热处理后表面开裂等原因造成。
1#、2#试样的实际碳含量偏高，而偏析严重又进一步加重了材料局部的碳含量，使部分位置塑韧性较差；同时偏析往往伴随组织疏松，塑韧性差且组织疏松的地方成为材料的薄弱点，在一定的载荷作用下薄弱点会率先失效产生裂纹并逐步向表面扩展，这一点从径向裂纹尖端正好处于低倍疏松边缘也可以得到印证[5]。1#试样在应力超过材料的疲劳极限后，疏松位置产生多处裂纹源，继而裂纹失稳扩展造成瞬间碎断形成棘轮状断口；2#试样在应力超过材料的疲劳极限后形成单一裂纹源，在扭转力的作用下，产生沿周向的弧状二次裂纹，并沿二次裂纹快速扩展造成半轴最终剪切断裂。
材料碳含量偏高且碳偏析严重是造成半轴静扭断口异常的主要原因。可通过以下措施改善断口形貌：
1)适当降低C含量，同时提高Mn、Cr等合金元素的含量，在保证材料淬透性且不降低材料
强度的前提下一定程度上改善塑韧性；
体外碎石机2)通过优化连铸工艺，采用低拉速及电磁搅拌工艺优化，改善铸坯成分偏析，降低圆钢偏析，从而改善断口形貌。
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百禄K107模具钢是一种含钨的高碳、高铬合金钢，具有优异的耐磨性，高的抗压强度；淬火后高的表面硬度；好的淬透性；淬火时，好的稳定性；好的抗回火软化性。已被工程界广为接受。适用于长寿命模具加工，并且在生产过程中维修保养费用低，具有很好的经济效益。冲切加工：被加工材料厚度36～62 mm，材料硬度小于180 HB。模具用于：冲切，精冲，冲孔，截边，剪切，修整，削剪，56～58 mm薄材料的截短，冷剪，塑料的切碎刀，弯曲，拉伸，拉深，卷边，旋压成型。管材和型材的轧辊；冷拉/精整模；用于薄片，汽车面板等地园剪锻件的截断，切边模具；铣刀，绞刀，拉刀能加工56～60、58～60、58～60、56～58 mm的工件；金属粉末零件压实模；冷态复模用母模；用于成型加工的模具；陶瓷、砖、瓷砖、砂轮、平板、磨损性塑料等成型模；量规，量具，导轨轴套，套筒，滚花模，喷沙嘴，压碎冲锤；型砧。物理性能：在温度分别为20、200、400 ℃时，相应的密度为7700、7650、7600 kg/m3；相应的弹性模量为193000、188000、173000
N/mm2；相应的热膨胀系数20 ℃起、11.0×10-6、10.8×10-6 /℃；相应的热传导系数为20.0、21.5、23.0 W/m·℃；相应的比热为460、-、-、 J/kg℃。硬度为62、60、50、55、45 HRC时，相应的抗压屈服强度Rp0.2 为2210、2110、1860、1620、1320 MPa。
化学成分(质量分数，%)：2.05 C；0.8 Mn；0.3 Si；12.5 Cr；1.3 W。
热处理：退火温度830～880 ℃，徐冷，退火硬度≦248 HB；淬火温度930～980 ℃，油冷；回火温度150～200 ℃，空冷，硬度≥61 HRC。
【相关文献】
[1] 李莹,刘高远,张立新.某汽车车轮半轴断裂失效分析[J].失效分析与预防,2007,2(2):42-44.
[2] 戴起勋.金属材料学[M].北京:化学工业出版社,2009:84-85.
[3] 莫中庆,张建军.中碳铬钼钢调质工艺的研究[J]. 热处理技术与装备, 2014, 35(2):53-55.
[4] 高为国,董丽君,胡凤兰,等.40Cr钢汽车半轴淬火缺陷分析及热处理工艺改进[J].湖南工程学院学报,2008(4):33-36.
[5] 陈香,张少雷. C-Mn钢无缝管成分与性能的研究[J].热处理技术与装备, 2014, 35(3):34-37.
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