27SiMn鋼淬火裂紋分析
近期，單位某零件在熱處理過程中出現(xiàn)批量淬火裂紋，報(bào)廢比例達(dá)20%之高。零件的材質(zhì)為27SiMn，采用的熱處理工藝為480℃預(yù)熱（30min）+（900±10）℃×15min鹽浴加熱循環(huán)水冷+500℃回火。本文對零件的淬火裂紋原因進(jìn)行了理化分析，提出了解決方案，并在隨后的生產(chǎn)中取得了良好的效果。
1.理化分析
（1）宏觀觀察
如圖1所示，通過對熱處理報(bào)廢的零件進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)零件所有的淬火裂紋均出現(xiàn)在零件內(nèi)孔或附近，在宏觀狀態(tài)下，裂紋沿零件的內(nèi)孔徑向呈蜿蜒的小鋸齒狀前進(jìn)，長達(dá)幾毫米至十幾毫米不等，沿軸向方向深度2～5mm，一般每個(gè)零件都有數(shù)道裂紋。
（2）化學(xué)成分檢測
將開裂的零件取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果如表1所示，其化學(xué)成分符合GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能》。
表1 27SiMn鋼零件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
化學(xué)元素 | C | Si | Mn | P | S |
GB/T 3077 | 0.24～0.32 | 1.10～1.40 | 1.10～1.40 | ≤0.35 | ≤0.35 |
檢測結(jié)果 | 0.32 | 1.24 | 1.25 | 0.019 | 0.005 |
（3）金相分析
在零件裂紋部位取樣進(jìn)行金相觀察。如圖2所示，在金相顯微鏡下，可明顯觀察到裂紋沿晶界蜿蜒曲折前進(jìn)；裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳氧化現(xiàn)象，應(yīng)是在淬火過程中產(chǎn)生的裂紋；裂紋沿晶界開裂，應(yīng)屬沿晶斷裂；裂紋尾端及兩側(cè)存在數(shù)量較多的白色網(wǎng)狀組織，經(jīng)顯微硬度檢測為312HV，可以斷定白色網(wǎng)狀組織為網(wǎng)狀鐵素體組織。晶粒內(nèi)部為回火索氏體組織及少量的羽狀上貝氏體組織。
在淬裂的零件心部取樣進(jìn)行金相觀察，如圖3所示，零件的基體組織為回火索氏體組織+白色網(wǎng)狀組織和少量的上貝氏體組織。對白色網(wǎng)狀組織進(jìn)行顯微硬度檢測，其顯微硬度值在300HV左右，可判斷為其為網(wǎng)狀鐵素體組織。
2.討論
鋼鐵材料在淬火狀態(tài)下，鐵素體組織存在的形式一般有兩種：
第一種形式，亞溫狀態(tài)下淬火或正常溫度淬火但保溫時(shí)間很短時(shí)，鐵素體組織由于未完全轉(zhuǎn)變成奧氏體或者來不及轉(zhuǎn)變而在隨后的淬火冷卻中而保留下來，其形態(tài)在晶界或晶粒內(nèi)部呈塊狀或半月牙狀；第二種形式，正常溫度淬火，但冷卻時(shí)由于高溫冷速緩慢，鐵素體組織會(huì)優(yōu)先在晶界呈網(wǎng)狀析出。
鐵素體組織在基體組織中存在形式的不同對材料的性能有很大影響，第一種形式，鐵素體組織由于未完全奧氏體化而在基體組織中的晶界或晶粒內(nèi)部呈塊狀或半月牙狀分布，一般來說，對于緩解淬火應(yīng)力、減少淬火裂紋、改善低溫脆性具有較好的效果，原因在于馬氏體相變時(shí)所產(chǎn)生的組織應(yīng)力和相變應(yīng)力會(huì)由于鐵素體組織的良好塑形得到很大程度緩解，加之鐵素體組織呈塊狀或半月牙狀分布于晶界上，可溶解較多的S、P等痕跡元素，對于消除可逆回火脆性、改善鋼的冷脆性有明顯效果。
第二種形式，鐵素體組織由于在淬火過程中高溫冷速過緩，造成鐵素體組織率先呈網(wǎng)狀沿晶界析出分布，此種組織形態(tài)對于鋼的機(jī)械性能影響很大，會(huì)大大降低材料的沖擊韌性、提高淬火裂紋的發(fā)生概率。原因在于鐵素體組織呈網(wǎng)狀分布于晶界，由于鐵素體組織強(qiáng)度低，可固溶較多的痕跡元素，大大弱化了晶界強(qiáng)度，降低沖擊韌性，淬火時(shí)一旦材料的組織應(yīng)力和相變應(yīng)力過大，裂紋將優(yōu)先在網(wǎng)狀鐵素體所在的晶界形核，并沿晶界蜿蜒開裂，造成質(zhì)量事故。
本文中，淬裂的零件的裂紋部位均出現(xiàn)在內(nèi)孔處。從淬裂零件的金相組織可以明顯地觀察到，其存在數(shù)量較多的網(wǎng)狀鐵素體組織，且裂紋沿晶界曲折蜿蜒裂開，這說明零件在淬火冷卻過程中出了問題。從上面的理化檢測可以看出，27SiMn鋼的合金元素，尤其是碳含量偏上限，因此淬透性較好；一般情況下，27SiMn鋼的臨界直徑，在20℃靜水中可達(dá)38mm，而零件的有效厚度為13mm，因此在正常狀態(tài)下，零件在水中能夠完全淬透，熱處理后的正常金相組織應(yīng)為回火索氏體組織，但是從圖2和圖3的金相組織觀察來看，組織中出現(xiàn)數(shù)量較多的網(wǎng)狀鐵素體組織及少量的上貝氏體組織，這是不正常的。
零件的淬火介質(zhì)為循環(huán)自來水。水的冷卻性能對溫度非常敏感，水溫高于40℃時(shí)，冷卻性能會(huì)大幅下降，其在高溫區(qū)（500～700℃）的冷卻能力急劇下降，而在低溫馬氏體相變區(qū)（200～350℃）的低溫冷卻能力下降較少，這一點(diǎn)可以從圖4中看出。這樣極易造成的后果是：零件在高溫區(qū)冷卻緩慢，導(dǎo)致奧氏體組織首先轉(zhuǎn)化成鐵素體組織并呈網(wǎng)狀分布在晶界上，弱化晶界；而在低溫區(qū)冷速過快，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，組織應(yīng)力過大。
筆者通過現(xiàn)場調(diào)查走訪，鹽浴爐的控溫系統(tǒng)正常，熱電偶檢測精度合格，但發(fā)現(xiàn)零件在熱處理過程中存在3個(gè)問題：第一、淬火水槽節(jié)門損壞，淬火水槽的循環(huán)水更換不暢；第二、鹽浴爐主電極的流動(dòng)冷卻水（水溫較高）直接流到淬火水槽中，造成淬火水槽的水溫較高；第三、零件在實(shí)際淬火時(shí)，每爐淬火間隔的時(shí)間較短，且水槽容積較小，水槽里自來水的更新速度不及時(shí)。以上三個(gè)因素導(dǎo)致零件在淬火時(shí)水溫過高，根據(jù)調(diào)查推斷水溫可在50～60℃。由此可以判斷得出，水溫過高導(dǎo)致水在零件高溫區(qū)的冷卻性能大幅下降，零件淬火后，鐵素體組織呈網(wǎng)狀在晶界上分布，造成晶界強(qiáng)度急劇下降，而低溫冷卻性能卻變化不大，導(dǎo)致在低溫區(qū)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)冷速過快，拉應(yīng)力過大，裂紋沿晶界開裂。
另外，零件的形狀及淬火方式對材料產(chǎn)生裂紋也起到了一定的作用。零件形狀較為復(fù)雜，其采用鹽浴爐加熱，淬火夾具從內(nèi)孔處穿過，零件呈豎排狀裝夾，如圖5所示。每一夾具裝卡零件的數(shù)量較多，夾具較長，采用行車淬火時(shí)，由于行車速度限制，零件淬火時(shí)夾具入水較慢，使得零件之間及單個(gè)零件不同部位的冷卻速度不同；同時(shí)，由于淬火夾具從零件的內(nèi)孔處穿過，致使內(nèi)孔流水不暢（零件的內(nèi)孔直徑為16mm），造成內(nèi)孔冷速緩慢；還有，如圖5所示，零件入水時(shí)，位置1首先冷卻，而位置2由于其凹處兜空氣，使得此處及其位置3處的內(nèi)孔冷卻更慢。
內(nèi)孔冷卻緩慢會(huì)導(dǎo)致其部位更容易析出網(wǎng)住鐵素體組織，弱化晶界，還使其在高溫區(qū)冷卻產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力值相對較小，而在低溫的馬氏體相變區(qū)域內(nèi)冷卻產(chǎn)生的組織應(yīng)力很大，兩者疊加會(huì)造成內(nèi)孔表面呈現(xiàn)很大的拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)拉應(yīng)力值超過其抗拉強(qiáng)度，會(huì)在內(nèi)孔處造成裂紋。
3.結(jié)論及改進(jìn)措施
（1）零件的形狀及其淬火方式導(dǎo)致其內(nèi)孔冷速緩慢，在內(nèi)孔處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。
（2）零件在淬火過程中，由于淬火水槽節(jié)門損壞等原因，造成流水不暢，水溫升高，使水的冷卻性能大幅下降，鐵素體組織呈網(wǎng)狀分布于晶界上，造成晶界強(qiáng)度急劇下降，在殘余拉應(yīng)力作用下，裂紋沿晶斷裂。
為了驗(yàn)證上述判斷，筆者將水槽節(jié)門修好，在零件（同一批材料）下一批次試生產(chǎn)中，將淬火水溫控制在30℃以內(nèi)，并加大攪拌力度，結(jié)果零件淬裂率大大降低，低于1‰，驗(yàn)證了上述判斷的正確性。
文/李鵬輝，凌云集團(tuán)河北太行機(jī)械工業(yè)有限公司。
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