20crnimo钢零件渗碳表层淬火开裂原因分析

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1、20CrNiMo 钢零件渗碳表层淬火开裂原因分析 20CrNiMo 钢零件渗碳表层淬火开裂原因分析 20CrNiMo 钢零件经气体渗碳淬火后，在其渗碳区域表面发现裂纹。借助化学成分分析、硬度测试和 金相检验对其开裂的原因进行了分析。结果表明：淬火裂纹仅存在于渗碳层中，渗碳表层碳含量过高， 渗碳表层存在的大量块状、网状碳化物是零件表层产生淬火裂纹的主要原因。 某公司的产品零件材料为 20CrNiMo 钢，经井式炉气体渗碳处理+局部车碳+淬回火后，在零件渗碳区 域表面出现淬火裂纹。其渗碳淬火工艺为：9201.2%C14h 强渗强渗9200.8%C1.5h 扩散扩散880 罐冷 罐冷局部车碳局部车碳

2、830淬火淬火160回火回火。在渗碳淬火后，有少数的产品零件在其渗碳区域内出现多道 轴线裂纹，如图 1 中划线所示均为裂纹，裂纹仅出现在渗碳区域内。为查找裂纹产生的原因，本文对渗 碳区域内裂纹形态、渗碳组织等各个方面进行分析研究，为改进工艺和提高产品质量提供帮助。 图 1 裂纹的宏观形貌 图 2 渗碳层硬度分布曲线 1、理化检验 1、理化检验 1.1、渗层硬度测试 根据 GB/T 9450-2005钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核中规定的硬度测定方法，采用 FM-ARS-9000 全自动显微硬度测量系统，在试验力为 9.8N 的载荷下对零件渗碳表层进行测试，获得的表 层硬度分布曲线如图

3、2 所示。根据硬度法测淬硬层深度的方法测得淬硬层深度为 2.3mm，符合技术要求。 但从图 2 中的曲线来看，硬度值大于 60HRC 的深度超过 1.7mm，过渡区域过窄，硬度下降梯度过陡。 1.2、化学成分分析 在零件的心部切取化学成分分析试样，利用红外碳硫仪和直读光谱仪进行基体材料的化学成分分析， 根据 GB/T 3077-1999合金结构钢的要求，零件基体材料的化学成分合格。另外，通过剥层方法对渗 碳表层中的碳含量进行测试，试验结果显示其表层碳含量严重偏高，其中最表层 0.2mm 内碳的质量分数 为 1.5%，表层 0.210.4mm 内碳的平均质量分数为 1.2%，属于严重的高碳层。

4、1.3、金相检验 1.3.1、裂纹 垂直于表面裂纹切取金相试样，经抛光后置于光学显微镜下观察，可见裂纹均垂直于表面，曲折向内 扩展，裂纹两侧具有耦合性，裂纹深度约 2.1mm，见图 3、图 4。 图 3 腐蚀前的裂纹起始端形貌 图 4 腐蚀前的裂纹末端形貌 1.3.2、渗层 将试样经体积分数为 4%的硝酸乙醇溶液中侵蚀后进行观察，如图 5 所示，测量其过共析层深度为 0.600.70mm，共析层深度为 0.91.0mm，过渡区域过窄，总渗碳层深度为 2.22.3mm。表面过共析渗碳层组织为网状碳化物加隐针马氏体加残余奥氏体，见图 6。最表层有一薄层(0.13mm)存在大量的白色块 状、片状碳化

5、物，见图 7，这种组织特征与通过剥层方法得到的表层碳含量过高是相吻合的。按 JB/T 6141.3-1992重载齿轮渗碳金相检验对表层碳化物进行评级，结果为：网状碳化物 5 级、粒状块状碳 化物 6 级，属于高碳不合格组织(13 级为合格)。次表层为针状马氏体加残余奥氏体，依照 JB/T 6141.3-1992 评定，马氏体及残余奥氏体均为 3 级。心部组织为低碳回火马氏体加少量贝氏体，见图 8。 图 5 腐蚀后的裂纹形貌 图 6 表面网状碳化物 图 7 表层块状碳化物 图 8 心部的显微组织 2、分析与讨论 2、分析与讨论 零件的基体组织为低碳板条马氏体组织，晶粒度为 8.5 级，属于正常的

6、热处理组织。裂纹中部及尾端 边缘未出现块状、网状的碳化物组织，这说明零件在渗碳前表面不存在裂纹，裂纹于渗碳之后的淬火过 程中产生的。零件表面渗碳层存在大量的网状和块状碳化物，其原因可能是渗碳过程中介质活性过强， 气氛碳势过高或渗碳介质气氛循环效果不好，导致渗碳层表面碳的质量分数1.2%，罐冷时冷却过慢出 现网状和大块状的碳化物。这种脆性的网状和块状碳化物增大了工件在淬火过程中的开裂倾向。 同时， 由于表面碳含量高， 碳浓度梯度非常陡， 导致高碳区与低碳区的马氏体转变温度(Ms)相差较大， 根据 Ms()=550-350wC-40wMn-35wV-20wCr-17wNi-10wCu-10wMo(

7、w 为各元素的质量分 数)2，计算出 Ms(高碳)为 70，Ms(基体)为 420 ，因此在淬火冷却过程中，首先是基体组织发生马 氏体转变，致使表层受到组织拉应力作用。由于表面渗碳层中存在大量的网状和块状碳化物，其渗碳层 的断裂强度大大降低，当应力超过其断裂强度时就在表层产生裂纹。而基体组织已经发生组织转变，其 韧性大大增强，因此裂纹仅存在于渗碳层中。 3、结论 3、结论 (1)零件表面的裂纹属于淬火裂纹。 (2)渗碳层表面大量块状和网状碳化物的存在是造成零件表面产生淬火裂纹的主要原因。 4、建议 4、建议 (1)严格控制渗碳过程，把握好强渗阶段和扩散阶段的时间，确保渗碳层碳浓度梯度平缓和表层碳的 质量分数在 0.8%1.0%最佳。 (2)当渗碳后表层出现网状碳化物时，可以先采取较高温度淬火或正火来消除网状碳化物，再通过较 低温度二次淬火得到理想的渗碳淬火组织。