42CrMo鋼拉桿矯直開裂分析

孫雪盼

(北方重工集團(tuán)有限公司熱處理分公司，遼寧 沈陽 110141)

42CrMo是被廣泛使用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，該材料性價比較高，具有高強度、高韌性、良好的淬透性，沒有明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后，具有良好的抗疲勞性，抗多次沖擊能力好，低溫沖擊韌性良好，適合制造強度大、韌性強的機械零件[1-4]。此次斷裂的拉桿應(yīng)用在磨煤機上，拉桿機構(gòu)是磨煤機上的重要組成部分，起到連接和支撐的作用，其中拉桿是拉桿機構(gòu)中的重要組成部分[5]，拉桿在工作中存在振動現(xiàn)象，所以設(shè)計對拉桿的強度要求較高。

拉桿材料為42CrMo鋼，要求調(diào)質(zhì)處理，硬度為286～321 HB，由于硬度要求較高，常規(guī)油冷工藝較難達(dá)到技術(shù)要求，故采用水淬油冷的雙介質(zhì)淬火冷卻的方式，充分地利用了水在高溫區(qū)較強的冷卻能力，油在低溫區(qū)有緩和的冷卻速度，以確保滿足拉桿的高強度要求。拉桿熱處理后有彎曲變形，為了滿足后序加工需求，回火后對拉桿進(jìn)行矯直處理，在矯直過程中拉桿發(fā)生斷裂，為查清斷裂的原因，筆者對斷裂的拉桿進(jìn)行理化檢驗和分析，以保證后續(xù)產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

1 宏觀斷口檢驗

拉桿已經(jīng)斷裂成兩段，其宏觀斷口形貌如圖1所示。從宏觀斷口形貌看，拉桿斷裂時在直徑方向收縮很小，無明顯塑性變形，存在人字紋花樣，屬于脆性斷裂[6]。

圖1 拉桿開裂宏觀斷口形貌Fig.1 Macro fracture morphology of the cracking pull rod

2 化學(xué)成分分析和硬度檢測

從拉桿斷口未氧化部分取樣，利用高頻紅外碳硫儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜測試化學(xué)成分，結(jié)果見表1，拉桿化學(xué)成分符合42CrMo材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

利用320HBS-3000數(shù)顯布氏硬度計檢測試樣硬度，結(jié)果為345～375 HB，拉桿硬度技術(shù)要求為286～321 HB，可知斷裂處硬度高于工件圖紙對硬度的要求。調(diào)質(zhì)處理的目的是使工件有良好的綜合機械性能，即強度、塑性和韌性都較好，材料的硬度越高，塑性越弱，脆性越大。

3 金屬夾雜物評級和組織檢驗

利用線切割在拉桿開裂位置處切取試樣，試樣經(jīng)機械打磨和拋光后，利用OLYMPUSGX51金相顯微鏡，將未經(jīng)侵蝕的試樣在金相顯微鏡下放大50倍觀察試樣內(nèi)的裂紋，其整體形貌如圖2所示，可見裂紋處存在非金屬夾雜物。在金相顯微鏡下放大100倍對裂紋附近的非金屬夾雜物進(jìn)行評級。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》評定，非金屬夾雜物為D類3級、C類2級，如圖3所示；另一個視場檢驗非金屬夾雜物為D類大于3級，如圖4所示。非金屬夾雜物對鋼的塑性和韌性指標(biāo)影響較顯著，嚴(yán)重時導(dǎo)致熱處理時產(chǎn)生裂紋。

表1 42CrMo拉桿化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖2 試樣內(nèi)裂紋Fig.2 Crack in the sample

圖3 未腐蝕的試樣表面D3，C2Fig.3 Surface of the non-corroded sample D3,C2

圖4 未腐蝕的試樣表面D>3Fig.4 Surface of the non-corroded sample D>3

用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣的拋光表面，用OLYMPUSGX51金相顯微鏡對試樣組織進(jìn)行觀察，確定顯微組織是否符合調(diào)質(zhì)要求。腐蝕的試樣在金相顯微鏡500倍下觀察到的顯微組織如圖5所示，顯微組織為回火索氏體+回火貝氏體(白亮區(qū))。粒狀貝氏體是由塊狀或等軸狀的鐵素體基體及富碳的島狀區(qū)域所組成的組織，粒狀貝氏體高溫回火會析出碳化物，形成復(fù)相組織，其組織均勻度較回火索氏體差，粒狀貝氏體會降低產(chǎn)品的強韌性[7]。

圖5 42CrMo鋼拉桿的顯微組織Fig.5 Microstructure of 42CrMo steel pull rod

4 分析與結(jié)論

1)斷裂的拉桿采用水淬油冷的冷卻工藝，滿足拉桿高硬度的要求，但與此同時，其淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較油冷或水溶性介質(zhì)冷卻大，容易引起工件開裂。

2)工件淬火后的回火過程主要是消除或降低淬火冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到穩(wěn)定的回火組織，滿足零件所要求的力學(xué)性能指標(biāo)，回火轉(zhuǎn)變的快慢

主要取決于溫度，從拉桿的金相組織和硬度來看，拉桿的回火溫度不足，組織不均勻，存在一定的殘余應(yīng)力。

3)拉桿的非金屬夾雜物超標(biāo)，在一定程度上降低了拉桿的基體強度，再加上拉桿存在內(nèi)應(yīng)力，即使矯直時承受的工作應(yīng)力很低，也易造成斷裂。