1.背景情況
某產品所用材料為20CrMnTi，表面進行C/N共滲處理，表面滲層深度要求不小于1.6mm、硬度不小于63HRC。產品在碳氮共滲后機加過程時，在精加工大端端面后發現在端面外側存在幾條沿周向分布的裂紋。
2.形貌觀察
產品裂紋及斷面如圖1所示，端面裂紋位于距端面外壁約2mm的位置，并斜向外側擴展；裂紋斷面較平坦，呈亮灰色，斷面可見放射狀擴展棱線，源區位于端面的次表面，為點源起裂，端面未見明顯材料缺陷。
將裂紋斷面置于掃描電鏡下進行形貌觀察和能譜分析，裂紋源區形貌如圖2、圖3所示，裂紋斷面源區位于次表面，源區未見明顯材料缺陷，源區及附近區域呈準解理斷裂形貌，擴展區斷裂形貌如圖4所示，呈現沿晶+準解理斷裂形貌，裂紋微觀形貌特征表明產品端面的開裂模式為脆性開裂。
對基體進行能譜分析主要含有Fe、Cr（1.2%）、Mn（1.3%）元素，主合金元素及含量符合20CrMnTi的要求，見圖5。
3.金相分析
在裂紋附近取樣制備成金相試樣進行組織觀察和顯微硬度測試，結果如圖6所示：產品心部組織為回火馬氏體組織；端面滲層組織為回火隱針馬氏體+碳氮化物，端面滲層深度約為1.9mm，符合設計要求（≥1.6mm）。整體裂紋均位于淬硬區，裂紋兩側組織與其他區域淬硬層組織一致，未見明顯組織缺陷存在。
對試樣進行顯微硬度測試（結果詳見附表），結果表明端面滲層硬度符合設計要求（≥63 HRC）
表1 顯微硬度測試結果
測試部位 | HV0.3 | 平均 | HRC | ||||
心部 | 382 | 371 | 362 | 380 | 385 | 376 | 38.5 |
端面滲層 | 823 | 817 | 823 | 811 | 817 | 818 | 64.7 |
4.分析討論
能譜分析結果表明：產品所用材料的主合金元素及含量符合20CrMnTi的要求。金相分析結果表明：產品大端端面滲層的深度及硬度均符合設計要求。
產品在車加工后發現大端端面存在幾條斷續周向裂紋，裂紋位置及形態相似，均位于距端面外壁約2mm，并斜向外擴展。裂紋斷面觀察結果表明斷面較平坦、有金屬光澤，裂紋起源于大端面次表面，呈準解理形貌，未見明顯材料缺陷，擴展區呈沿晶+準解理形貌，斷口形貌特征表明陽球的開裂模式為脆性開裂，且是在熱處理之后所形成。
金相分析結果表明整個裂紋均處于表面淬硬區，裂紋兩側組織與其他區域淬硬區組織一致，未見缺陷存在。
結合產品加工及熱處理過程分析認為，產品大端端面裂紋位于表面淬硬區，是在熱處理后車加工過程中所形成的。由于表面淬硬區的硬度高、脆性大，對加工應力較敏感；若進刀量較大，則擠壓應力較大，極易導致其發生脆性開裂。
目前我廠個別型號產品工藝路線已做調整，和以前工藝路線有兩點變化：第一在淬回火之前增加切碳，減少淬回火后的加工量；第二淬回火后由磨削替代車削，減少進刀量。通過兩點改變，有效減少了產品端面崩渣和開裂。
5.結語
通過對產品端面裂紋的觀察與分析認為，產品端面裂紋位于表面淬硬區，開裂模式為脆性開裂，斷面未見明顯材料缺陷，開裂原因主要與加工應力控制不當有關。
作者：劉廷，內蒙古航天紅崗機械有限公司
劉宇波，包頭中車電機有限公司
