锻造和热处理过程中裂纹形成原因分析
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作者: 赵小英 陈圣锦 李泉
【摘要】裂纹是在锻造和热处理生产过程中常见的缺陷之一，通过对裂纹产品试样进行收集、分析、整理，可将裂纹大致分为三类：锻造裂纹、折叠和淬火裂纹。通过晶相实验分析，可获得三种类型裂纹的形成原因，有针对性的提出减少裂纹产生的建议性措施，从而提高产品的质量和性能。
【关键词】锻造热处理
晶相分析裂纹形成原因
中图分类号：TG311
文献标识码：A
裂纹是在锻造和热处理过程中产生的常见缺陷之一，也是锻造行业研究讨论的热点、难点。而大型锻件出现裂纹的概率更高，因而对锻造和热处理过程中产生的裂纹进行研究，分析裂纹产生原因，对于减少产品裂纹具有十分重要的意义。
1.实验方法
对锻造和热处理裂纹附近的显微组织进行晶相分析，有助于了解裂纹形成的内在原因，也是裂纹鉴别的重要依据。试验采用实际生产的杆类件作为研究对象，对其裂纹附近组织进行晶相分析。试验具体实施过程如下。
1.1试样制备和宏观观察
首先对杆类件毛坯的裂纹进行宏观观察，然后用手锯切取试样，截取方向，垂直于径向，长度不超过8mm。不论用何种方法取样均应注意试样的温度条件，必要时用水冷却，以避免正式试样因过热而改变其组织。
1.2试样研磨抛光后晶相分析
准备好的试样，先在粗砂轮上磨平，使磨痕均匀一致，再移至细砂轮上续磨，磨时须用水冷却试样，使金属组织不因受热而发生变化。经砂轮磨好、洗净、吹干后的试样，随即依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，从粗砂纸到细砂纸、再换一次砂纸，试样须转90°角与旧磨良成垂直方向。经预磨后的试样，先在抛光机上进行粗抛光（抛光织物为细绒布、抛光液为W2.5金刚石抛光膏），然后进行精抛光（抛光织物为锦丝绒，抛光液为W1.5金刚石抛光膏），抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止，即粗糙度为Ra0.04以下。
1.3经5%硝酸酒精溶液侵蚀后晶相分析
将精抛后的试样浸在4%硝酸酒精溶液中。浸蚀时，不时地轻微移动试样，但抛光面不得与器皿底接触。浸蚀时间视金属的性质、检验目的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜。试样浸蚀完毕后，迅速用水洗净，表面两用，酒精洗净，然后用吹风机吹干。
2.试验数据与分析
通过对裂纹产品试样进行收集、分析、整理，把企业生产过程中的裂纹大致分为三类：锻造裂纹、折叠和淬火裂纹。
2.1锻造裂纹形成原因分析
锻造裂纹的产生多种多样，形成原因也各不相同。通过本次裂纹研究，锻造裂纹主要可分为原材料缺陷引起的锻造裂纹和锻造方法不当引起锻造裂纹；典型锻造裂纹分析。
（1）锻造裂纹分析一（非金属夹渣物）
生产中发现编号为D1998的杆（材质45）在加工时表面有一纵向裂纹，试样表面裂纹宽度约3mm，裂纹距表面深度约11mm，裂纹内填充了大量黑色氧化物，
试样研磨抛光后观察，裂纹内腔有大量灰黑色氧化物，裂纹两侧有雾状颗粒氧化物、块状灰黑色氧化物和孔洞。
试样经侵蚀后观察，主裂纹两侧有大量脱碳现象。尾端细小裂纹两侧无脱碳现象，与基体组织无差异，
根据以上分析，说明裂纹在热处理之前就已经存在，裂纹产生原因与原材料中有大量非金属夹渣有关。细小裂纹是在热处理过程中沿非金属夹渣扩展而成。
（2）锻造裂纹分析二（过烧）
在生产中发现编号为D5228的杆杆身有裂纹，垂直于裂纹制备，试样，裂纹深约1.20mm，裂纹内充有灰黑色氧化物，两侧有雾状颗粒氧化物，晶界有氧化现象。
试样经5%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，裂纹两侧有脱碳现象。
根据以上分析，裂纹的形成应在热处理之前，为过烧引起的锻造裂纹。
2.2折叠形成原因分析
折叠是在金属流变过程中已氧化的表层金属汇和在一起而形成。折叠一般与周围的流线方向一致，在折叠尾端一般成小圆角。
根据产生折叠现象的产品及其材料进行研究，把产品折叠产生原因分为以下几种。（1）原材料原因引起的折叠：一种是由于原材料表面不平整或存在凹坑，锻造时随着金属流动汇合到一起形成折叠；另一种是方钢坯棱角边被压塌形成折叠。（2）锻锤原因：锻锤边缘处圆角太小，容易产生折叠。
典型折叠分析，将方钢坯的棱角边压塌形成折叠：在生产过程中发现编号为D4337的杆在杆身出现一条长约400mm的纵向裂纹，裂纹与表面呈65°角向内扩展，距表面深度约3.2mm。
试样经研磨抛光后在显微镜下观察，裂纹两侧弥散分布有黑色颗粒状氧化物，裂纹尾端圆秃，有少量灰黑色氧化物。
试样经5%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，裂纹两侧为全脱碳层。
根据以上分析可知，该试样裂纹为折叠裂纹。
2.3热处理过程中的淬火裂纹分析
热处理裂纹主要是淬火裂纹，其裂纹的分布方向没有一定的规律，一般在零件的棱角槽口截面突变处、孔洞边缘和机械加工的刀痕上。淬火裂纹总是呈现出瘦直而刚健的曲线，棱角性较强。淬火裂纹一般不超过淬硬层。典型淬火裂纹分析。
（1）典型裂纹分析一：淬火时表面被拉裂
生产中发现一连杆（材质40Cr）调质处理后表面有一纵向裂纹，其深度约60mm，裂纹呈外阔内尖的楔型，由表向里扩展至试样心部附近，裂纹头部内腔附有一层灰色氧化物，其附近未发现有较严重的非金属夹杂物。经5%硝酸酒精溶液侵蚀后，裂纹头部无脱碳现象。
根据以上分析：试样未发现有严重的冶金缺陷，纵向裂纹为热处理淬火裂纹，原因是由于该牌号材料的淬透性较高，心部也较容易得到马氏体组织。工件淬透后的应力状态为组织型残余应力，在工件表面形成最大的拉应力，当切向最大拉应力超过材料的断裂强度时，便使工件纵向开裂。
（2）典型裂纹分析二：工件表面应力集中产生淬火裂纹
生产中发现材质40Cr压圈在调质热处理后有裂纹，在裂纹位置截取试样做金相检验。
①宏观检查。裂纹起源于压圈的变截面台阶直角处，由表面向内扩展。裂纹呈直线状，深度约33mm，厚度方向已贯穿整个试样。②微观检查。试样经研磨抛光后在显微镜下观察，裂纹头部呈粗线状开口，裂纹曲折有力，两侧有细小分支裂纹，尾端纤细，有断续状的细小尾巴。裂纹型腔内较干净，但在裂纹两侧和分支处可观察到灰黑色氧化物。试样经5%硝酸酒精溶液侵蚀后观察，试样表面有脱碳现象，裂纹两侧无脱碳现象。⑧结果分析。裂纹附近未发现超标的非金属夹杂物，说明材料的冶金质量合格；裂纹两侧无脱碳，裂纹内有灰黑色氧化物说明该裂纹淬火之后、高温回火之前形成；裂纹起源于杆领台阶的直角处，该直角尖锐未经圆角，在此处易造成应力集中。
根据以上分析，该裂纹为在热处理过程中由于应力集中引起的淬火裂纹。
3.结论
根据典型裂纹的分析得出以下结论。
（1）非金属夹杂物聚集会造成锻造裂纹；（2）锻造时加热温度过高造成金属组织过烧，会造成锻造裂纹；（3）锻造时将方钢坯的棱角边压塌造成折叠；（4）淬透性高的工件在淬火时，冷却速度过快，组织应力大，易将工件表面拉裂；（5）热处理时，工件表面存在尖锐的棱角，会在棱角处产生应力集中，造成淬火裂纹。
4.减少裂纹产生的建议性措施
4.1减少锻造过程中裂纹产生的措施
（1）控制原材料的质量，包括表面质量、化学元素含量、夹杂、偏析、疏松等；（2）将方钢钢坯的四个棱角边改成圆角边；（3）严格控制锻造加热温度及保温时间，防止过热；（4）圆角过小的锻锤将圆角修大。
4.2减少热处理裂纹产生的措施
（1）零件结构合理，减少尖锐棱角，防止应力集中；（2）冷热加II序配合，正确应用预备冷处理方式，可减少淬火裂纹的产生；（3）合理选用淬火介质，淬透性高的工件选用冷却速度慢的介质。
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