关键词：车削表面裂纹；非金属夹杂物；组织；脱碳
某公司用GB/T3077-1999标准中20Cr、φ42mm钢棒材生产空调压缩机轴。生产工艺：下料(长400mm、4.35㎏/件)→粗车→淬火→精磨。生产过程中粗车、淬火和精磨时均发现部分轴表面有裂纹。为找出裂纹产生原因，采用宏观、金相显微镜和光谱等分析方法对样品进行了检验、分析。
1 试验方法与检测结果
1.1 宏观检验
1.1.1 样品
样品为φ42×400 mm材粗车后的空调压缩机轴半成品1件，其上有φ30、φ38、φ40和φ42mm，4个台阶。其中：φ30和φ38mm台阶表面用紫红线圈出了10多条、长约3—10mm的裂纹，φ30mm台阶上裂纹相对较多、细小；φ40mm台阶表面同一直线上有不连续的两条长分别为46和59mm的长裂纹，且该直线上的φ38和φ30mm台阶亦有裂纹。裂纹方向均顺钢材轴线分布。样品宏观及裂纹形貌见图1，尺寸单位：mm。
(a) 全貌；(b) φ30、φ38台阶局部裂纹；(c) φ40台阶长裂纹
图1 样品宏观及裂纹形貌
1.1.2 低倍
在φ30和φ40mm台阶上，过裂纹处分别截取各1支横向低倍试样，磨制、腐蚀后，按GB/T1979-2001标准检验，表面裂纹极浅，极不明显，低倍组织正常，除有少数相对较大的疏松点外，无其它缺陷。结果见表2，低倍组织见图2。
表2 低倍检验结果 级
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缺 陷 |
一般疏松 |
中心疏松 |
锭型偏析 |
一般点偏 |
边缘点偏 |
其它缺陷 |
备 注 |
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样品 |
φ30 |
2.0 |
1.0 |
0.5 |
0 |
0 |
无 |
合 格 |
|
φ40 |
2.0 |
1.0 |
0.5 |
0 |
0 |
无 |
合 格 |
|
|
GB/T3077-1999 |
≯3 |
≯3 |
≯3 |
≯1 |
≯1 |
不允许有 |
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(a) φ30试样；(b) φ40试样
图2 低倍组织
1.2 化学成分检验
在φ30mm台阶上截取1支横向试样、磨制后，采用光谱法分析化学成分，结果见表2。
表2 化学成分(质量分数) %
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元 素 |
C |
Cr |
Mn |
Si |
S |
P |
Cu |
Ni |
Mo |
Al |
Sn |
As |
|
样 品 |
0.22 |
0.83 |
0.63 |
0.22 |
0.005 |
0.025 |
0.08 |
0.02 |
0.01 |
0.009 |
0.015 |
0.007 |
|
GB/T3077-1999 |
0.18－ 0.24 |
0.70－ 1.00 |
0.50－ 0.80 |
0.17－ 0.37 |
不大于 |
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|
|
||||
|
0.035 |
0.035 |
0.30 |
0.30 |
0.15 |
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钢材(或坯)的化学成分允许偏差按GB/T222的规定执行。 |
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1.3 金相检验
1.3.1 裂纹及非金属夹杂物
在φ30、φ38和φ40mm台阶上，过裂纹处各截取1支金相试样，共计3支，磨制后观察。
横向：φ30mm台阶试样上，可见车削表面裂纹形态同存在的非金属夹杂物形貌，非细窄、尖锐的裂纹形貌，φ38和φ40mm台阶试样上，同一直线上的单条裂纹较宽、很浅，无裂纹特征。3支试样内部均存在较多、大颗粒暗灰色非金属夹杂物，疏松点均较少。横向裂纹及夹杂物形貌见图3。
纵向：将φ30mm台阶试样表面裂纹磨去3mm深，φ38和φ40mm台阶试样表面裂纹略微磨制。φ30宏观仍可看到裂纹，其中一条贯穿16mm长试样，其内充满了暗灰色夹杂物。3支试样上分别存在2—4条较粗大、呈链状、沿纵向分布的暗灰色夹杂物。φ30试样纵向宏观裂纹，纵向夹杂物形貌见图5。
腐蚀后观察：裂纹及夹杂物周围无脱碳，绝大部分夹杂物仍存在。φ38试样纵向局部夹杂物腐蚀前、后形貌见图6。
1.3.2 金相组织
经对上述3支金相试样腐蚀后观察，组织均为片状珠光体+块状铁素体，纵向组织呈带状分布〔见图6(b)〕，是轧后空冷正常状态组织。两种倍率横向组织见图7。
2 分析与讨论
通过对样品的检验、分析，结果表明材料成分、低倍组织符合GB/T3077-1999标准要求。
金相组织为片状珠光体+块状铁素体，表明为轧后空冷正常状态，未经过其它热处理。
车削表面裂纹形态同存在的夹杂物形貌，非细窄、尖锐的应力裂纹形貌。内部存在的较多、大颗粒，纵向呈长、链状分布的多条暗灰色非金属夹杂物(其中1条已贯穿16mm长试样的宏观裂纹内充满了夹杂物)，表明车削表面裂纹是车削至夹杂物位置时因夹杂物剥落而暴露于表面形似宏观裂纹痕迹，若继续车削至内部的夹杂物位置，仍会出现该缺陷，有一定范围。
裂纹及夹杂物周围无脱碳，表明非加热污染的夹杂物。夹杂物的大小、颜色和形态表明主要为脆性硅酸盐类夹杂物［1］。
金相试样上疏松点较少，表明低倍上相对较大的“疏松”点大部分是腐蚀后因夹杂物脱落而保留的形似疏松的夹杂物缺陷痕迹。低倍组织及金相检验亦表明夹杂物由钢材表面→内部增多，故小截面比大截面的车削表面“裂纹”多。
3 结论
空调压缩机轴车削表面裂纹形成的主要原因是钢材中存在的较多、粗大，纵向呈长、链状分布的脆性硅酸盐类夹杂物在车削至夹杂物位置时剥落而暴露于车削表面形似宏观裂纹的痕迹所致。
参考文献：
［1］张德堂、施炳弟，《钢中非金属夹杂物图谱》，国防工业出版社，1980-07
作者：刘惠民 韩宗才 (西宁特殊钢股份有限公司技术质量部)