42CrMo鋼拉桿矯直開裂分析

孫雪盼

(北方重工集團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構鋼，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，調質處理后，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]。此次斷裂的拉桿應用在磨煤機上，拉桿機構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中的重要組成部分[5]，拉桿在工作中存在振動現象，所以設計對拉桿的強度要求較高。

拉桿材料為42CrMo鋼，要求調質處理，硬度為286～321 HB，由于硬度要求較高，常規油冷工藝較難達到技術要求，故采用水淬油冷的雙介質淬火冷卻的方式，充分地利用了水在高溫區較強的冷卻能力，油在低溫區有緩和的冷卻速度，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，回火后對拉桿進行矯直處理，在矯直過程中拉桿發生斷裂，為查清斷裂的原因，筆者對斷裂的拉桿進行理化檢驗和分析，以保證后續產品性能穩定。

1 宏觀斷口檢驗

拉桿已經斷裂成兩段，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射光譜測試化學成分，結果見表1，拉桿化學成分符合42CrMo材質標準要求。

利用320HBS-3000數顯布氏硬度計檢測試樣硬度，結果為345～375 HB，拉桿硬度技術要求為286～321 HB，可知斷裂處硬度高于工件圖紙對硬度的要求。調質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，試樣經機械打磨和拋光后，利用OLYMPUSGX51金相顯微鏡，將未經侵蝕的試樣在金相顯微鏡下放大50倍觀察試樣內的裂紋，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行評級。依據標準GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》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影響較顯著，嚴重時導致熱處理時產生裂紋。

表1 42CrMo拉桿化學成分(質量分數，%)

圖2 試樣內裂紋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行觀察，確定顯微組織是否符合調質要求。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)。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，其淬火產生的內應力較油冷或水溶性介質冷卻大，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生的內應力，得到穩定的回火組織，滿足零件所要求的力學性能指標，回火轉變的快慢

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，存在一定的殘余應力。

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