陈孝程
中石化长输油气管道检测有限公司 江苏徐州 221008
摘要：锻压厂热处理的U型丝杆在生产过程中发现开裂现象。现对U型丝杆开裂原因进行理化综合分析，主要目的是查清U型丝杆开裂的原因，找出问题症结，及解决方法，以便在今后的生产中提高产品质量，防止类似事情再次发生。
关键词：U型丝杆；开裂；化学成分，断口形貌，夹渣物
1 理化分析
1.1 概况
锻压厂热处理的U型丝杆开裂位置如图1所示。该丝杆在调质热处理后进行镀锌处理，镀锌后在其表面发现沿轴向裂纹。开裂位置如图1所示，图2为图1中A区域的局部放大图。
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图2 图1 A段局部图
根据生产厂家提供资料显示，该U型丝杆材料为40Cr，机加工后进行调质处理，调质工艺为860℃保温2小时后，出炉在水中进行淬火，到一定温度后出水在油中进行冷却，回火工艺为在620℃下保温2小时，出炉后空气中冷却。热处理后该零件技术要求为：硬度HBS240-280。热处理后进行镀锌处理，镀锌后在零件表面发现开裂现象。
1.2 裂纹宏观形貌分析
从厂家提供的资料可知U型丝杆的长度为750mm，直径为27.6mm，丝杆上螺纹部分长度为350mm，螺纹外径为26.3mm，内径为22.6mm，丝杆上裂纹沿轴线方向，长度为550mm，如图1和图2所示。从图3可以看出，裂纹两端比较尖锐，其中有螺纹部位除头部一个螺纹外其余全部被裂纹贯穿(如图3A所示)。根据图2中D部位裂纹走向可以判断，裂纹在B段产生，然后沿箭头所指方向扩展，从图2中的B处和图1中的C处取样对裂纹产生的原因以及热处理后的理化性能和组织进行分析。
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图3 裂纹两端图
1.3 材料成分测试
分析人员利用移动式直读光谱仪进行检测，首先从材料中心取样、利用50#砂纸进行磨平，制备符合检测要求试样，按照GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》要求，进行光谱化学成分测试（光谱激发点错开裂纹处），测试结果见表1。从表1可以看出该40Cr钢中C、P、S、Cr、Si、Mn等化学元素符合GB/T3077-2015《合金结构钢》标准。
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1.4 硬度测试
检测人员按照GB/T231.1-2018《金属布氏硬度试验 第1部分试验方法》，从A处与B处取样，进行试样表面磨削加工，确保光滑平坦，不应有氧化皮及外界污物，尤其不应有油脂；试样表面应能保证压痕直径准确测量，表面粗糙度参数Ra一般不应大于1.6μm;z制备试样时，应使过热或冷加工等因素对表面影响最小；试样厚度至少为压痕深度的8倍。开始布氏硬度测试，测试条件为：加载力F=750KGf，保压时间t=10s，压头直径d=5mm，测试结果见表2。从表2中可以看出该丝杆材料硬度稍微低于标准要求，但对其使用性能影响不大。
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检测人员再次用维氏显微硬度计对两试样裂纹附近的硬度进行检测，首先按照GB/T4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》的要求准备好试样，对表面的要求和布氏硬度基本相同，特别强调由于显微维氏硬度压痕很浅，为了便于测量对角线，试样表面应进行抛光处理，试样厚度至少为压痕对角线长度的1.5倍。测试条件为：加载力F＝9807N，加载时间为t＝10s，保压时间为t＝10s，检测结果见表3。从表3可以看出丝杆裂纹附件硬度与基体硬度基本一致，说明丝杆裂纹处没有出现脱碳现象。
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1.5 断口形貌分析
检测人员利用超声法对裂纹深度进行检测，通过分析，测出A处试样裂纹的深度为11mm，B处试样裂纹的深度为10mm。现将A处试样的裂纹打开，对其裂纹处断口的表面形貌进行分析，打开后的断口形貌如图4所示。从图4可以看出断口表面已经被严重氧化，靠近螺纹处氧化物的颜色为褐色，表明此处氧化物是在常温下形成的铁锈即Fe3O2，裂纹深处氧化物的颜色为黑色。用盐酸丙酮溶液对断口表面进行清洗，清洗后的断口如图5所示。在对断口进行清洗时，褐色的金属氧化物很容易就可以清洗掉而露出底层黑色的金属氧化物，进行较长时间清洗后，黑色氧化物仍然存在，从图5可以看出清洗后断口褐色的氧化物已经被清洗掉，整个断口呈黑色，说明形成的黑色氧化物较致密，为在较高温度下形成的Fe3O4。
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图4裂纹打开后的断口形貌(4×)
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图5清洗后的断口形貌(4×)
1.6 夹杂物及金相组织分析
检测人员按照GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》将A处试样沿轴向制样，检验面为通过直径一半（由试样中心至边缘），抛光面积应约为200mm2，由于夹杂物的形态在很大程度上取决于钢材压缩变形程度，只有经过相似程度变形的试样坯制备的截面上才能进行测量结果的比较。以冷加工方式截取试样，试样截取时应避免截取方法对组织影响。用酒精清洗试样表面的污物，经磨平、洗净、吹干的试样，在不同粒度的砂纸上由粗到细依次磨制，砂纸平铺在平的玻璃板上，每换一次砂纸时，试样必须旋转90?与旧磨痕成垂直方向，在此方向磨制旧磨痕完全消失，新磨痕完全均匀一致为止方可进行机械抛光。移到装有呢绒的抛光机上粗抛，加入氧化铝抛光剂，抛2min～5min,用水洗净吹干。移至装有丝绒的抛光盘进行精抛光，保持抛光盘湿度，表面水膜在2s～s蒸发消失为宜。抛光后用水冲洗，再用无水乙醇洗净吹干，表面不得有水渍和污物。经机械精抛光后的试样在显微镜下观察，图像被投影到毛玻璃上，确保放大100X±2X,（在毛玻璃上），在毛玻璃投影屏上面放一个清晰的边长为71mm的正方形（实际面积0.5mm2）塑料轮廓线，然后用正方形内的图像与标准图片进行比较，经过仔细检测，没有发现明显的夹杂物。
抛去试样上磨痕达到镜面光洁度，且无磨制缺陷，用4%的硝酸酒精对试样进行腐蚀后，检测人员按照GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对其金相组织进行观察。图6和图7为A处试样沿轴线方向的金相组织，从图中可以看出表层及心部区域组织为回火索氏体，同时还可在图中看到马氏体回火不充分留下的板条形状，这些区域由于回火不充分，仍然保留马氏体的部分性能，所以在进行显微硬度测量时，如果测量硬度的位置正好是这些板条区域，硬度值就会偏高，这也是前面显微硬度测量时，显微硬度值差别较大的原因。
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图7丝杆中心金相组织
2 断裂原因分析
U型丝杆裂纹在淬火过程中从A处产生，裂纹产生后沿图1中箭头方向扩展。主要是由于裂纹打开后表面有致密的Fe3O4氧化层，而Fe3O4只有在较高的温度下形成，说明裂纹在电镀前已经形成，热处理后U型丝杆在存放及电镀前的处理过程中又在裂纹浅层处被腐蚀及氧化，由于这一过程是在常温下进行的，所以产生的氧化物(腐蚀物)为褐色的Fe3O2即铁锈，由于Fe3O2致密性较差，在用盐酸丙酮溶液清洗时很容易就被清洗掉。根据硬度测试结果，发现裂纹附近只是出现了氧化层而没有出现脱碳现象，可以推断裂纹是在淬火过程中形成的，裂纹形成后在高温回火的过程中被氧化而出现致密的Fe3O4氧化层。
U型丝杆淬火开裂的原因还应根据淬火材料原始组织的状态及淬火过程中的参数进行详细分析。
3 结论与建议
（1）U型丝杆开裂是在淬火过程中形成的，由于40Cr油淬临界直径可达17~30mm，此丝杆直径正好处在敏感尺寸范围内，淬火过程中容易开裂，适当降低淬火温度，可以降低零件淬火过程中的应力，避免零件开裂。
（2）由于40Cr淬火过程中是否开裂与其原始组织状态有较大关系，建议此类材料在淬火前进行正火处理，可有效防止其在淬火过程中开裂现象的发生；
（3）U型丝杆调质后的金相组织为回火索氏体，金相组织中可以看到马氏体回火不充分留下的板条形状，建议淬火后对40Cr进行充分的回火。
参考文献：
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[4] 江利，孙智，吴玉萍. 现代金属材料[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2000