【热处理】40Cr钢齿条方子校直断裂分析

40Cr钢齿条方子校直断裂分析

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本文主要分析大型机床传动机构用齿条锻件,材质为40Cr中碳调质

钢。经热加工锻造及调质处理,在压床校直过程中发生断裂。对该失

效件进行理化检测分析,结果表明试样组织中非金属夹杂物异常严

重,组织发生脆化。而且热加工锻造的原始粗大组织未得到细化,材

料的抗破断强度显著降低。锻造应力及调质淬火应力t使锻件的大部

分截面开裂,压床校直时沿原始裂纹继续扩展至整体断裂。

1.状态说明

(1)盐城国金机械制造厂加工的齿条方子锻件，在本公司进行

调质处理，调质处理后，在压床校直时发生断裂，整个截面与纵向垂

直，断口较平直，基本上保持脆性特征。失效断裂发生在两年前，断

口的切片已经被人为切割去三处，分别为两处矩形孔洞和一处圆形孔

洞。当时未详细对失效件样块进行检测，且对样块保存不善，试样表

面已经有轻微锈蚀。

(2)该齿条方子锻件,为40Cr圆钢件锻轧成截面为

100mmx90mm的矩形条钢，然后送交本公司进行调质热处理。

经查阅热处理生产过程记录，调质处理工艺是，箱式多用炉低温入

炉,然后缓慢进行加热，加热至84CTC温度保温3h,然后出高温炉

膛入前室预冷淬火，淬火介质采用的是等温淬火油，淬火后在

20CTC左右带温出油,利用出油余热产生自回火，以便消除淬火应

力。然后入回火炉进行回火，回火温度为62CTC保温4h,回火后同

样在油中冷却。

(3)对残留的样块进行宏观检查，断口较平直，整个断面几乎

都显示为放射状条纹，并且由中心向外表面扩散，在断口的边缘只有

极少量的剪切唇，这种开裂形式属于典型的脆性断裂的形貌特征。断

口目测分为两种颜色，颜色呈棕黄色的区域氧化色泽较严重，粗步推

断为锻造及淬火开裂区。颜色呈青灰色的区域显示为淬火后的回火色

泽，粗步推断为校直断裂区。淬火开裂区域为长轴95mm+短轴

70mm的近似椭圆形断口，断口面积较大，约占整个截面的80%;

校直断裂区断口面积较小，约占整个截面的20%（见图1）。

图1失效件宏观断口（实物.七强左正

2.化学成分

（1）在生产加工记录表中，追溯到该批产品的质保书，查到原

材料批号、材料牌号、圆钢直径。从库存中剩余的原材料上截取样

块，以供化学成分检测。

（2）截取原材料样块尺寸为25mmx25mmx15mm（长x宽x

厚），进行化学成分检测（见表1）,检测设备为Labspark5000

精密直读火花光谱仪，检查结果表明化学成分符合材料标准要求。

表1化学成分的检查结果（质量分数）（%）

40CrCSiMnCrSP

0.370.170.500.80

标准值

,^0.45-0.37-0.80-1.100.0350.035

实测值0.4020.2110.6751.0300.0240.014

3.金相分析

（1）试样未浸蚀观察，断口表面凹凸不平，有一部分沿粗大组

织晶粒开裂特征的晶粒剥落坑，还有一部分沿非金属夹杂物开裂的剥

离层。在晶粒剥落坑和非金属夹杂物剥离层之间，同时掺杂一些韧性

开裂的撕裂棱（见图2）。断口的次表层有较严重的大块状非金属夹

杂物，在非金属夹杂物的脱落坑底部，明显分布几条应力集中形成的

细长二次裂纹。断口的次表层同时布满与主裂纹平行的二次裂纹，这

种二次裂纹是由于晶粒粗大晶界弱化，晶间结合力显著降低，无法承

受纵向拉应力造成的（见图3）。

（2）试样的非金属夹杂物量多且大，以B类颗粒不变形氧化铝

及C类呈锐角不规则多边形硅酸盐居多。其中B类的非金属夹杂

物，最大尺寸面积为0.60mmx0.10mm。40Cr材料的B类非金属

夹杂物合格级别在2级以下，B类2级尺寸面积为

0.343mmx0.015mm,该类脆性非金属夹杂物的面积超过合格级别

12倍左右（见图4、5）。

图6裂纹源夹杂物（40X）图7裂纹源夹杂物（40'＜）

（4）金相组织观察，断续分布的铁素体所围成的网状组织极其

粗大，平均晶粒直径达到0.375mm,对应的晶粒度级别达。级，属

于严重的过热组织级别，正常组织晶粒度为5~8级，过热组织晶粒

度为＜3级。如此粗大的过热组织，只有在1200。（:以上的锻造温度

才会形成（见图10、11）。这种粗大的稳定化过热组织，使材料组

织的晶粒急剧长大，晶界宽化，晶间弱化。特别指出的是，在

1200（以上的锻造温度下，硫化铁、硫化镒及硅酸盐等非金属夹杂

物溶解到基体中，股后空冷的缓慢冷却过程中，这些非金属夹杂物将

沿晶界析出，在晶界上形成强度很低的脆性层。随后的调质处理温度

是无法使它重新溶解的，调质处理后仍然保存粗大的原始晶粒，这就

是稳定化过热组织的遗传性。后序的调质处埋只能将锻造过热的粗大

连续网状改变为断续网状，但是材料组织的脆性并不能得到改善。

(5)显微镜倍率经放大金相观察，沿粗大晶界分布的游离铁素

体呈大块状，组织偏析严重，铁素体基体内及组织间分布较多量的非

金属夹杂物，图中明显可见金相组织分为白色区和黑色区。白色区域

以游离铁素体组织为主，条块状非金属夹杂物镶嵌在铁素体基体内C

黑色区域以珠光体及索氏体组织为主，铁素体呈细条状少量分布(见

图12、13)。由于前期锻造过热的粗大组织，带来化学成分及组织

不均匀，沿粗大网状分布的游离铁素体含量很多，正常调质处理无法

将铁素体完全溶解,因而在调质处理后，组织中仍然保留明显的白色

图12严重偏析组织(100X)图13严重偏析组织(166X)

4.结论分析

(1)试样中存在超标的非金属夹杂物，使材料脆性显著增加。

试样的宏观断口及微观组织检查，证实断裂源是由非金属夹杂物引起

的，并从试样心部向外表面扩展。

(2)原始锻造的粗大晶粒，造成了具有遗传性的稳定化过热组

织。在这种组织的温度下，硫化铁、硫化镒及硅酸盐等非金属夹杂

物，溶解到高温的奥氏体中，锻造后空冷时沿品界析出，使组织间脆

性显著增大。工件热加工锻造以后，未按正常工序进行正火处理，原

始的粗大晶粒及组织偏析未能得到改善，材料的抗拉强度和冲击韧性

进一步降低。

(3)由于原材料存在严重的非金属夹杂物，以及锻造热加工的

晶粒粗大晶间脆化，此时的锻造应力及调质处理的淬火应力，已经远

远大于材料组织的晶间结合力。试样材料心部的大块状硅酸盐夹杂

物，则是组织中最薄弱的部位，理所当然成为锻造应力及淬火应力开

裂的裂纹源。锻造及调质淬火形成的裂纹，已经扩展至大部分截面，

校直应力沿原始裂纹周边形成多源台阶，继续扩展至工件整体断裂C

5.改进措施

(1)对于入库的原材料，必须进行理化检测，包括化学成分、

显微组织、力学性能等检测指标，应符合图样要求或国家标准，以保

证原材料的质量。

(2)材料中带状组织较多的原材料，特别是非金属夹杂物形成

带状组织，必须按规定要求进行正火或退火处理，使带状组织得到改

善及消除，为后序热处理提供保障。

(3)锻造热加工过程，必须控制始锻温度和终锻温度，始锻温

度不能超过1200℃z以避免因加热温度过高晶粒粗大,增加材料的

脆性及淬火开裂倾向。终锻温度不能低于85CTC的奥氏体化温度，

使组织不能回复与再结晶，增加纤维组织和带状组织的形成几率。

文：金林奎，质量工程师，材料热处理工程师

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