42CrMo鋼是目前國內普遍使用的中碳合金調質鋼，其淬透性較高，調質處理后綜合力學性能優良，是各類傳動軸的首選材料之一。在包括《熱處理手冊》在內的權威資料給出的調質熱處理工藝都采用油作為淬火介質，然而一些尺寸較大的軸采用油淬火后有時會出現斷裂成數段的現象，其產生原因又莫衷一是，無法做出準確判斷并采取有效措施，給企業造成很大的經濟損失。本文從工藝、材料、冷卻過程等方面分析了42CrMo軸淬火斷裂的原因，并提出改進措施。
1.基本情況
某破碎機傳動軸，材質為42CrMo，經下料→鍛造→正火→粗車后進行調質，技術要求260~300HBW。使用φ1000×3500井式電阻爐加熱，每次懸掛吊裝1件，隨爐升溫。使用20號機械油淬火，淬火時豎直入油，冷卻至室溫后出油，然后在同一設備及時回火，出爐后空冷，工藝曲線如圖1所示。在常規淬火出油后，有時會出現淬火斷裂的情況，其斷口形貌、尺寸和斷裂部位分別如圖2和圖3所示。
圖1 斷軸調質工藝曲線圖
圖2 軸的斷口形貌
圖3 斷軸的尺寸及斷裂部位示意圖
2.檢測和分析
對斷軸的硬度、成分和低倍組織進行了檢測。軸的不同部位的硬度略有差別，結果顯示軸部硬度為325~356HBW。軸退火處理后去除表面脫碳層取樣，其化學成分見表1，符合標準要求。退火后橫截軸檢查軸的低倍組織，酸浸檢驗結果顯示，斷軸的一般疏松、中心疏松均≤級，合格；沒有發現縮孔、裂紋和白點等缺陷。又在斷軸上取樣，使用醫用白凡士林加熱后將試樣放入，沒有氣泡逸出，說明原材料經退火后，氫含量極少。
表1 42CrMo鋼斷軸的化學成分（質量分數）（%）
從硬度檢查結果看，淬火后軸的表面硬度并不高，顯微組織應為淬火索氏體組織，經560℃回火后，硬度也能達到技術要求260~300HBW；低倍組織檢查合格，42CrMo是一種白點較敏感的鋼種，檢查中沒有發現白點，殘余氫含量基本沒有；仔細看材料的化學成分發現，碳、錳和鉬的含量偏上限，但符合標準要求。從開裂斷口可以發現，裂紋由內向外呈放射狀擴展裂開，斷口平齊，見圖2，位于軸向的中部，如圖3所示。
根據以上的檢測結果，特別是軸的斷口形貌推斷：開裂可能主要是冷卻過程造成的，而與其他因素關系不大。裂紋源于軸的徑向心部、軸向中部，在冷卻過程中或結束后，軸的心部殘留了巨大的拉應力，當超過材料心部的強度形成裂紋并迅速擴張，造成開裂。
圖1所示的軸的調質工藝是經過數十年生產實踐的，生產中偶爾有軸淬火斷裂情況，但工藝也從未受到質疑，以前把此類情況的原因歸結于原材料問題，我們認為也是有失公允的。為了驗證以上推論，我們從工藝上，特別是淬火冷卻過程入手，以減小淬火殘留應力為目的試驗驗證新的工藝。新工藝使用臺車式電阻爐加熱，每爐平裝2件，到溫后裝爐；淬火時，軸水平入水，水-空交替控時淬火，軸表面的溫度在200℃左右停止水冷，其調質工藝如圖4所示。
圖4 42CrMo軸的新調質工藝曲線圖
新工藝的淬火溫度降低為820℃，無需預冷即可進行水-空交替控時淬火，這樣可大大減小淬火應力。采用新工藝淬火后，軸的表面硬度能達到423HBW，因此，回火溫度比傳統工藝更高，軸的應力也會更小。而且，采用新工藝淬火，變形小、無污染，也便于操作。采用新工藝兩年多來生產的各類42CrMo軸從未出現淬火橫向斷裂的情況。
3.分析與討論
熱處理過程是加熱、保溫和冷卻過程的有機結合，對于加熱和保溫階段，現有的控制手段和精度都是易于控制和觀測的，而對于冷卻過程，則一直是熱處理界研究和實踐所欠缺的，冷卻過程不受重視或缺乏手段是客觀存在的。
本文開裂的42CrMo軸是在冷卻過程中或冷卻結束時開裂的，對于淬火件來說，只有在最大拉應力存在和作用的部位，才有致裂的可能性和危險性。從裂紋的部位看，裂紋正好位于軸向中部和徑向心部，是軸向和徑向拉應力最大的部位。軸出爐入油淬火后，一直在油中冷卻2h左右，這個冷卻過程大體可分為三個階段：
第一階段表面與淬火油的溫差很大，溫度很快降低，而心部則靠熱傳導傳熱，溫度降低得慢，因此表面收縮得快、收縮量大，心部收縮得慢收縮量小，因收縮量不同內外相互產生作用力，表面因受心部抵制而脹大，產生拉應力，而心部相反，產生壓應力；
第二階段繼續冷卻時，應力增大到一定值時，因軸溫度比較高，材料的屈服強度比較低，會產生塑性變形，松弛一部分彈性應力，而且表面溫度下降得已經較低，收縮量減小，而心部溫度還高收縮量大，這樣內外相互脹縮的牽制作用減少，應力減小至零。
繼續冷卻時進入第三個階段，表面的溫度已接近淬火油的溫度，強度很高，基本上不會收縮，而心部溫度還較高，會繼續收縮，心部的收縮會受到表面持續的抑制，心部產生拉應力的持續作用，而表面是壓應力。當拉應力超過材料斷裂強度時，心部產生裂紋并迅速擴展。這樣就最終導致軸的斷開。
冷卻介質本身的冷卻特性對淬火斷裂的影響也很大。20號機械油的特性溫度較低，只有470℃左右，油的最大冷卻速度也遠低于水，其冷卻速度過慢，無法繞開珠光體轉變區，有效截面較大的42CrMo軸，表面沒有淬火成馬氏體組織；而且其閃點僅150℃左右，易于燃燒，在冷卻過程中也不可能出油停止冷卻，整個冷卻時間又過長，表面已冷至室溫還繼續冷卻，這樣形成的殘留應力就很大。最終用20號機械油冷卻結束后軸的殘留應力狀態表現為熱應力型的特點。
另外，淬火斷裂的軸的碳及合金含量較高，會使導熱性降低，如果存在一定程度的偏析則會在局部加劇這種情況，使內應力加大。這也是導致軸開裂的因素之一。
采用新工藝后，一方面是淬火加熱溫度降低后，減小了軸表面和心部的溫差，減少了熱應力的作用；另一方面通過水-空交替控時淬火即能使冷去曲線繞過珠光體轉變區，達到淬硬的目的，本例尺寸的軸淬火硬度可達423HBW，又能快慢速冷卻的結合減小內應力，特別是軸表面在200℃左右停止水冷，消除了前述第三階段造成殘留應力的情況，這對消除淬火開裂起到了很好的抑制作用。
4.結語
經歷兩年多來生產證實，直徑在80~400mm的42CrMo軸采用新工藝淬火，硬度都在400HBW以上，整個淬火過程持續在5min左右，沒有產生過淬火斷裂的現象。這說明，淬火開裂的主要原因不在于是否采用較低淬火烈度的介質，而在于冷卻過程是否能把殘留應力降低到材料的斷裂強度以下；能否淬硬不在于延長冷卻時間和提高淬火溫度，而在于能否使過冷奧氏體避開珠光體轉變區域而在馬氏體轉變區適當冷卻。
今后應把熱處理工程方面應在冷卻過程控制、冷卻設備和冷卻過程仿真模擬等方面加大研究投入力度，這樣才能真正有效地控制變形、消除開裂，從而提高熱處理行業整體水平。
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