1.背景情况
某产品所用材料为20CrMnTi，表面进行C/N共渗处理，表面渗层深度要求不小于1.6mm、硬度不小于63HRC。产品在碳氮共渗后机加过程时，在精加工大端端面后发现在端面外侧存在几条沿周向分布的裂纹。
2.形貌观察
产品裂纹及断面如图1所示，端面裂纹位于距端面外壁约2mm的位置，并斜向外侧扩展；裂纹断面较平坦，呈亮灰色，断面可见放射状扩展棱线，源区位于端面的次表面，为点源起裂，端面未见明显材料缺陷。
将裂纹断面置于扫描电镜下进行形貌观察和能谱分析，裂纹源区形貌如图2、图3所示，裂纹断面源区位于次表面，源区未见明显材料缺陷，源区及附近区域呈准解理断裂形貌，扩展区断裂形貌如图4所示，呈现沿晶+准解理断裂形貌，裂纹微观形貌特征表明产品端面的开裂模式为脆性开裂。
对基体进行能谱分析主要含有Fe、Cr（1.2%）、Mn（1.3%）元素，主合金元素及含量符合20CrMnTi的要求，见图5。
3.金相分析
在裂纹附近取样制备成金相试样进行组织观察和显微硬度测试，结果如图6所示：产品心部组织为回火马氏体组织；端面渗层组织为回火隐针马氏体+碳氮化物，端面渗层深度约为1.9mm，符合设计要求（≥1.6mm）。整体裂纹均位于淬硬区，裂纹两侧组织与其他区域淬硬层组织一致，未见明显组织缺陷存在。
对试样进行显微硬度测试（结果详见附表），结果表明端面渗层硬度符合设计要求（≥63 HRC）
表1 显微硬度测试结果
测试部位 | HV0.3 | 平均 | HRC | ||||
心部 | 382 | 371 | 362 | 380 | 385 | 376 | 38.5 |
端面渗层 | 823 | 817 | 823 | 811 | 817 | 818 | 64.7 |
4.分析讨论
能谱分析结果表明：产品所用材料的主合金元素及含量符合20CrMnTi的要求。金相分析结果表明：产品大端端面渗层的深度及硬度均符合设计要求。
产品在车加工后发现大端端面存在几条断续周向裂纹，裂纹位置及形态相似，均位于距端面外壁约2mm，并斜向外扩展。裂纹断面观察结果表明断面较平坦、有金属光泽，裂纹起源于大端面次表面，呈准解理形貌，未见明显材料缺陷，扩展区呈沿晶+准解理形貌，断口形貌特征表明阳球的开裂模式为脆性开裂，且是在热处理之后所形成。
金相分析结果表明整个裂纹均处于表面淬硬区，裂纹两侧组织与其他区域淬硬区组织一致，未见缺陷存在。
结合产品加工及热处理过程分析认为，产品大端端面裂纹位于表面淬硬区，是在热处理后车加工过程中所形成的。由于表面淬硬区的硬度高、脆性大，对加工应力较敏感；若进刀量较大，则挤压应力较大，极易导致其发生脆性开裂。
目前我厂个别型号产品工艺路线已做调整，和以前工艺路线有两点变化：第一在淬回火之前增加切碳，减少淬回火后的加工量；第二淬回火后由磨削替代车削，减少进刀量。通过两点改变，有效减少了产品端面崩渣和开裂。
5.结语
通过对产品端面裂纹的观察与分析认为，产品端面裂纹位于表面淬硬区，开裂模式为脆性开裂，断面未见明显材料缺陷，开裂原因主要与加工应力控制不当有关。
作者：刘廷，内蒙古航天红岗机械有限公司
刘宇波，包头中车电机有限公司
