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高強度鋼制軸類零件加工制造中
開裂原因分析與工藝改進

龔煌輝

（湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲412001）

摘要：材料性能對高強度鋼制軸類零件的影響較大，而且高強度鋼的切削難度大，加工過程中，高強度鋼軸類零件會出現一些開裂現象。在用機械進行鍍鉻層磨削時，其表面經常出現裂隙，且大體特性一致。因此，對磨削參數和鍍層厚度進行有效控制，磨后增加回火工序，能夠降低零件報廢率。

關鍵詞：鍍鉻；氫脆；應力腐蝕；沿晶開裂；熱處理；除氫

氫脆斷裂屬于延遲性斷裂，又可叫做氫致延遲斷裂，其斷裂過程經過以下途徑，氫遷移的方向沿應力梯度逐漸前行，裂紋前沿的局部區(qū)域就變成脆性，當裂紋裂到達脆化區(qū)后，其前沿區(qū)域氫濃度又降低了，應力松弛導致裂紋擴展停止。裂紋經過脆化，然后到擴展，暫停再到脆化這樣的不連續(xù)形式，進行完整的斷裂過程。這一過程長短根據氫濃度梯度大小不同而不同，應力的增加和濃度梯度增大將引起過程縮短。由于氫致斷裂有延遲性，故叫做“氫致延遲脆性斷裂”它是造成零件開裂的重要原因。

1　工藝調查

機械中的軸類零件使用超高強度鋼制造，但是這些零件經常以同樣的特性報廢掉，如制造工序、外形和其他報廢原因等，有少量零件達到100%的報廢率，如表1所示。表1中有5種30CrMnSiNi2A鋼材料的軸類零件。通過顯微硬度檢驗和金相檢驗分析發(fā)現，這類高強度零件在進行鍍鉻磨削時，它的顯微硬度和次表面組織結構發(fā)生了差異性變化；經過對除氫效果的探究和檢查鉻層實際厚度，發(fā)現磨削過程中，零件兩端都承受了較高的拉應力，開裂原因是應力腐蝕和氫脆。在對此類零部件進行鍍鉻過程中用磁力探傷檢驗并無裂紋,然而在經過磨削之后，再使用磁力探傷檢驗，其裂痕就十分明顯，裂紋出現最多的地方在零件兩個端頭，呈現網狀裂開特性。

表1　零件報廢表

調查表1中5種軸類零件工藝制作，發(fā)現在機械加工工藝中，5種零件中的4種外徑尺寸達到40~50mm，全部零件都沒有集體規(guī)定磨削參數；其中的4種零件只對鍍鉻后的鉻層厚度進行了下限規(guī)定，但是沒有要求上限；鍍鉻后的零件在加工過程中，磨削時間和回火時間兩者間隔沒處理。

2　試驗與分析

要對這類零件的開裂原因進行分析，首先要對此類零件原材料的化學成分進行分析，還要對材料的晶粒度、力學性能以及雜質進行檢測，經檢測發(fā)現此類零部件規(guī)格和材質都符合技術要求。因此下一步就將開裂處作為具體研究對象，在開裂處部分小標本，用光學顯微鏡進行觀察，能夠清晰看見裂紋在基體和鉻層連接處，還有一些裂紋是和鉻層相通的。從圖1中可以看出，裂紋沿晶開裂向內部擴展，沿晶界與二次裂紋間的發(fā)紋線無分叉；裂紋與裂紋之間較平直，有穿晶開裂的特征，而在向基體擴展時，兩條裂紋就形成彎曲形狀。以上現象表明，裂紋有應力腐蝕和氫脆的性狀。

圖1　基體裂紋形態(tài)

以上5種零件在制作工藝上要求鍍硬鉻，電鍍液鍍液溫度在55~60℃之間，其主要成分為硫酸2~2.5g/L和鉻酐200~250g/L，鍍層厚度保持在20~40μm。除氫溫度為要保持在190~210℃之間，時間控制在240min。由于鉻層布滿了細網狀裂紋，且這種裂紋與表面成直角，當鉻層厚度超過20μm以上，鍍層在電鍍過程中就不會產生細孔，在鉻離子被還原成鉻原子時，這些物質就在零件上沉積，它將作為陰極零件表面，此時陰極零件表面會溢出大量氫氣，這是由于電鍍過程中，大量氫離子被還原成氫原子，最終成為氫氣，然而，也并不是所有的氫原子都會呈現氫氣狀態(tài)溢出，依然存在大量氫原子和氫分子在零件的外表面吸附著，有些存在于鉻層網狀裂紋內部。在進行鍍鉻的操作中，鍍層往往都比較厚，在對其進行磨削之，鉻層厚度達到80~100μm，少數零件可以達到200μm，這樣打的厚度，已經大大超過了技術標準所要求的20~40μm的厚度。因為這個原因，鉻層就沒有很好的透氣性能，當除氫溫度和除氫時間按照原來的時間規(guī)格和溫度進項操作，較厚的鍍鉻零部件不能將全部的氫原子和氫分子清理干凈，剩下大量殘留，吸附在鍍鉻零件的基體表面。

氫脆斷裂屬于延遲性斷裂，又可叫做氫致延遲斷裂，其斷裂過程經過以下途徑，氫遷移的方向沿應力梯度逐漸前行，裂紋前沿的局部區(qū)域就變成脆性，當裂紋裂到達脆化區(qū)后，其前沿區(qū)域氫濃度又降低了，應力松弛導致裂紋擴展停止。裂紋經過脆化，然后到擴展，暫停再到脆化這樣的不連續(xù)形式，進行完整的斷裂過程。這一過程長短根據氫濃度梯度大小不同而不同，應力的增加和濃度梯度增大將引起過程縮短。由于氫致斷裂有延遲性，故叫做“氫致延遲脆性斷裂”。

在實際的加工操作中，鍍鉻與除氫的時間間隔要保持在4小時之內。而除氫與磨削的間隔時間保持在6小時之內。短時間內零件鍍層所受到的應力還不至于出現裂痕，因此在鍍鉻后與磨削前這段時間內，鍍鉻零件的磁力探傷并沒有裂紋。而后來對其進行加工時，砂輪較鈍情況下的零件表面殘留有的應力為拉應力，磨削過程的磨擦熱會作用到零件表面和鉻層，并且相互間產生較大拉應力。兩種應力外加上鍍層應力幾者疊加后，磨削過程中，零件就會產生較高應力水平，因此，鍍鉻零件就會產生氫脆和應力腐蝕。

零件兩端的裂紋較多，由于零件在進行磨削時，其兩端受到應力大，溫度也比其他部位高。在電鍍時，零件作為陰極，因為電荷有集膚作用，鉻離子能夠沉積在零件的尖角處或者端頭。零件兩端聚集的鉻層就會比中間更厚，而零件兩端的磨削程度也比中間要大很多，產生的摩削熱也高于中間的熱度，客觀上零件兩端散熱效果要比零件中部差，最終使得零件兩端的熱應力比中間大很多。砂輪對零件進行磨削時，接觸部位最先為零件端頭，最后分離的部位也是兩端端頭。兩者進行接觸時，零件從最初的靜止狀態(tài)轉變?yōu)樾D狀態(tài)；兩者分離時，零件由旋轉轉變?yōu)殪o止，兩個轉變過程中，零件要生成較大慣性力，摩擦力與慣性力兩者共同對零件進行作用，在磨削初始以及結束，零件的摩擦力都要比正常狀態(tài)大，這就是為什么在磨削過程中，零件兩端受熱大，中間溫度較低的重要原因。

由圖2顯示可以知道，其基體的顯微組織和靠近鉻層邊的顯微組織差異很明顯，零件中的基體顯微組織呈現針狀的形態(tài)，且分布較多，但是緊靠鉻層邊上的顯微組織卻很少有針狀物形態(tài)，而碳化物的析出還比較多。從圖3中可以發(fā)現，緊靠鉻層組織的在顯微鏡下顯示，其硬度壓痕較大，而相反的，遠離鉻層的顯微硬度壓痕逐漸減小。

圖2　基體顯微組織

圖3　基體硬度變化圖

從顯微組織及其硬度關系變化這方面能夠發(fā)現，在進行磨削時，零件表面會生成較高溫度，但馬氏體組織還沒有形成單一組織，其硬度低于基體硬度，因此零件的表層溫度應設置在30CrMnSiNi2A鋼的Ac3臨界點之下，而在進行磨削時，要注意選擇使用較小的磨削量。雖然飛行起落架上的軸類零件使用強度還是較高的，繞彎兒由于它對于氫的敏感性非常高，因此，盡管處于較低的應力水平之下，零件零也很容易受到影響，產生應力腐蝕和氫脆現象。從上面的分析可以得知，飛行起落架上的高強度鋼的軸類零件在加工制造中發(fā)生應力腐蝕和氫脆現象主要是由于：

（1）鍍鉻的鍍層比較厚，鍍層透氣性不好，導致在基體表面或者鍍層內殘存的少量氫原子和氫分子未能在在除氫過程徹底清除。

（2）在對零件進行磨削時，沒有設置好正確的磨削工藝參數，電鍍過程還有應力的存在讓零件兩端產生的應力比中間應力高，使兩端和中間的溫度差異明顯。

3　工藝改進

綜上所述的分析內容，為盡量使零件正常不致開裂，最好的辦法是將殘存在基體表面或者鍍層內的殘留的氫原子或者氫分子徹底清除掉，減少在磨削過程中生成的應力，或者能夠做到及時消除內應力，保護好零件，延長它的使用壽命，筆者提出以下改進措施進行改進：

（1）首先要對操作流程和操作方法進行規(guī)范，砂輪要盡量符合規(guī)格，對其進給進行改進。

（2）在鍍鉻層上要嚴格規(guī)定規(guī)定其尺寸，設置尺寸上限，做到在滿足要求的情況下，盡量減少鉻層的厚度。

（3）持續(xù)保持砂輪的鋒利，可以選擇中等或勤修砂輪對零件進行打磨，控制砂輪進給量，可以降至0.005~0.001mm內，加強在磨削過程中，設置冷卻裝置進行冷卻。

（4）零件磨削時，盡量做到降低砂輪轉速和磨削點處的線速度，砂輪轉速要進行嚴格控制。磨削之后進行回火工序，兩者之間的間隔時間保持在6h內。

4　　結語

基體和鍍層中含有較高的氫分子，機體表層的回火馬氏體組織和自身較高的碳含量共同導致了氫致延遲開裂，而磨削應力和電鍍層兩者之間的應力為氫脆開裂提供了應力條件。對磨削參數和鍍層厚度進行有效控制，磨后增加回火工序，能夠降低零件報廢率，在對零件進行加工改造后，可以明顯改善零件的開裂現象，零件的報廢率大大降低之后，企業(yè)能夠節(jié)約使用資金，最后獲得更好的經濟效益。

參考文獻

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An Analysis of Causes Resulting in Cracking of High Strength Steel Axle Parts in Manufacturing Process and Process Improvement

GONG Huang-hui

（Hunan Railway Vocational and Technical College，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

Abstract：The properties of the material has a great impact on high strength steel shaft parts，and it is difficult to cut high strengthsteel，inmachiningprocess,highstrengthsteel axle parts may crack，when mechanically cutting the chrome plated layers，fractures can often be seen on their surface，and the characteristics are generally same.Therefore，to effectively control cutting parametersandplatingthicknessand involveintemperingprocessaftergrindingwouldreducethescraprateoftheparts.

Keywords:chromeplating；hydrogenembrittlement；stresscorrosion；intergranularcracking；heattreatment；dehydrogenation

作者簡介：龔煌輝（1975-），男，湖南婁底人，大學本科，講師，主要研究方向：機械制造、工程材料。

收稿日期：2015-09-04

文章編號：2095-980X（2015）09-0047-03

文獻標識碼：A

中圖分類號：TH16