零件淬火裂纹分析,氰化冷速较慢，造成零件表面裂纹,
生产中经常出现渗碳或氰化后淬火裂纹，导致零件报废，既影响生产进度，也造成不必要的经济损失，因此分析产生裂纹原因，避免再现，至关重要。
1.问题描述
某单位生产4批零件，其加工工序如下：领料→车工→磨工→超声波检验→车工→磨工→氰化→高温回火→平磨→车工（开槽）→钻工→钳工→检验→淬火→回火→磨工→磁粉检验。
前3批零件匀一次性合格，第4批（29件）零件加工至回火工序吹砂后，发现大量零件表面出现裂纹，如图1所示。
2.查热处理加工原始记录
清查该批热处理实际加工的原始记录纸，氰化830℃，保温7h，冷却箱+高温回火650℃保温5h10min空冷。淬、回火工艺：盐炉810℃，保温23min，油冷+冰冷处理-60℃，保温3h，空冷+回火160℃，保温2h20min，空冷，均符合工艺资料参数要求。
3.裂纹零件剖切分析
取表面裂纹的3个零件作外观、断口、成分、硬度以及金相组织等分析，其结果为：
（1）外观检查
如图1所示，零件外圆面存在大量裂纹，各零件外圆面纵向裂纹数量不一。外圆面大部分纵向裂纹均贯穿开槽部位，槽口两侧裂纹周向位置基本一致且一一对应，应为同一条裂纹；部分纵向裂纹存在拐弯现象及扩展至端面。
（2）断口检查
将零件裂纹人工打开进行断口观察：整个断口基本分为3个区域（见图2）。最外层为原始裂纹区，裂纹深度基本一致，约为0.3mm，断面氧化严重，无断口特征（见图3），经能谱分析，该区域内含少量O及微量S、Cl、K等元素。中间层为渗层范围内人工打断断口，微观形貌为准解理+少量韧窝（见图4）；内层为基体人工打断断口，微观形貌为等轴韧窝（见图5）。
（3）成分检查
经化学定量分析，结果如表1所示。
表1 12Cr2Ni4A化学成分分析（质量分数）（%）
分析元素 | C | S | Si | Mn | Cr | Ni | Fe |
分析结果 | 0.15 | 0.002 | 0.27 | 0.43 | 1.44 | 3.47 | 余 |
12Cr2Ni4A | 0.10～0.15 | ≤0.015 | 0.17～0.37 | 0.30～0.60 | 1.25～1.75 | 3.25～3.75 | 基 |
（4）硬度检查
渗层部位：63.2HRC、63.3HRC；心部：38.4HRC、38.8HRC。
（5）金相检查
剖切零件外圆面及顶部弧面裂纹，所有剖切的裂纹深度及形貌基本一致，深度均约为0.3mm，裂纹开口及宽度均较大，耦合性较差，尾端圆钝，裂缝内可见大量氧化物，裂纹两侧基体可见大量弥散分布颗粒状氧化物；腐蚀后观察渗层表面存在一层厚约25μm的碳化物带，裂纹开口两侧碳化物带未沿裂纹分布，裂纹附近组织与正常部位无明显差异，如图6~8所示。零件渗层组织为细针马氏体+碳化物，心部组织为板条马氏体。
（6）渗层检查
渗层深度及硬度梯度检查结果如表2所示。
表2 渗层深度及硬度梯度检查
位置 | 距表面垂直距离/mm | 有效硬化层深度/mm | |||||||
0.05 | 0.15 | 0.25 | 0.35 | 0.45 | 0.55 | 0.65 | 0.75 | ||
硬度梯度HV0.5 | |||||||||
裂纹附近1 | 789 | 766 | 757 | 754 | 709 | 642 | 585 | 513 | 0.70 |
裂纹附近2 | 774 | 771 | 766 | 759 | 713 | 640 | 585 | 527 | 0.71 |
正常部位1 | 813 | 799 | 787 | 761 | 715 | 645 | 577 | 527 | 0.70 |
正常部位2 | 812 | 805 | 792 | 757 | 713 | 647 | 582 | 528 | 0.71 |
4.分析与讨论
通过对裂纹零件剖切结果，分析如下：
（1）零件外圆面纵向裂纹的数量、走向不一，故零件裂纹的产生与原材料状态无关。
（2）由裂纹的剖切金相检查可知，裂纹部位渗层深度与无裂纹部位深度及形貌均基本一致，裂纹开口部位碳化物层与正常部位无明显差异，且碳化物未沿裂纹分布，裂纹附近渗层组织与同样深度正常部位组织无明显差异，由此可以判定氰化前零件表面无裂纹。
（3）从裂纹剖面形貌上看，所有裂纹深度基本一致，裂纹开口及内部宽度较大，耦合性差，尾端圆钝，裂纹内部可见大量氧化物，裂纹两侧基体可见大量弥散分布颗粒状氧化物，裂纹形貌不符合淬火应力裂纹形态特征，且淬火后续回火温度仅为160℃，缺少产生大量氧化物的环境。由此可以排除淬火冷却过程及后续过程开裂的可能。
（4）从零件槽口两侧裂纹的分布情况来看，大部份裂纹槽口两侧周向位置基本一致且一一对应，槽口两侧的裂纹应为同一条裂纹，由此可以判定裂纹应在开槽之前就已经存在；零件外圆面开槽为在淬火工序之前进行，故排除淬火过程中开裂的可能。
综上所述该零件表面裂纹产生应在氰化工序与车工（开槽）工序之间。
5.调查热处理加工过程
根据上述结果分析和判断，排除淬火裂纹，继续了解有关操作者实际加工过程，得知零件氰化后出炉，在转至冷却箱过程，吊车发生短期故障，导致零件在空中停留时间太长，造成零件表面氧化脱碳。
表层先形成极薄的一层托氏体组织，在下面保留一层未转变的奥氏体，在随后冷却过程，使表面产生拉应力的作用，为宏观裂纹产生创造了条件，在后续砂轮磨工和车工（开槽）过程中，残留奥氏体转变成马氏体，造成表面的体积膨胀，由于该零件开槽较深，当磨削温度达到250～300℃时，组织转变加快，氰化层的脆性增大，加上冷却不及时等造成磨削裂纹，其特征为裂纹沿着网状渗碳体面形成微小波纹状，零件在淬火后，由于组织应力和热应力影响，扩大了原有的微裂纹，从零件表面裂纹看，裂纹只是沿着槽口，槽底并没有出现裂纹。
6.结语
该零件由于氰化冷速较慢，导致砂轮磨削和车工（开槽）工序加工过程中，造成零件表面裂纹。
文/蒋诚，中国航发南方工业有限公司热表处理中心
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