45钢轴类零件断裂分析及预防

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H热处理
45安徽省宿州模具热处理研究中心 （234000） 赵昌胜
安徽省煤田地质局水文勘探队机厂 （234000） 杨 峰 崔 晴
45钢由于价格便宜，来源方便，加工性能好，
淬火后具有较高的硬度，调质处理后具有良好的强
韧性、高的强度和一定的耐磨性，被广泛地应用于
中低档的轴类零件。

但是45钢轴在热处理过程中，
由于材料本身的原因，热加工不当和热处理工艺安
排不合理，往往容易产生热处理断裂或在工作中发
生早期失效，造成产品报废，严重影响生产。

1. 柴油机曲轴热处理产生的裂纹及预防
某柴油机厂生产一批柴油机曲轴，该工厂采用
圆钢锻造，为了赶工期，采取的加工工序是：下料
→锻造→粗加工→调质→精加工→检验入库。

该批
曲轴在淬火后，一部分曲轴的曲拐处产生裂纹，造
成了产品报废。

分析工序安排可看出，因为锻后没有进行退
火或正火，钢材在锻造时产生的锻造应力没有很
好地被消除，因此在热处理淬火时，淬火产生的
应力和原来轴中存在的应力叠加，当叠加应力超
过材料的强度极限时，45钢曲轴表面应力集中处
即产生裂纹。

针对45钢锻造曲轴产生裂纹原因，对45钢锻造
后的曲轴进行正火热处理，不仅消除了锻造产生的
1. 喷砂清理
采用手动压缩空气（0.5～0.6MPa）喷枪，经
过压缩空气带动细石英砂向螺纹部表面喷射清理。

喷砂清理时注意，应及时转动齿轮，不得过度清理
某处，以防其尺寸减小。

喷砂采用的压缩空气应经
过滤，保证无油、无水。

此方法特点是清理效率较
高，但现场粉尘较大，应安装除尘装置。

图5为齿
轮喷砂清理示意。

2. 钢丝轮清理
利用电动机带动钢丝轮传动机构，设计并制成
合理的主动齿轮卡位机构，以利于对主动齿轮尾部
螺纹等进行均匀、彻底、安全的清理。

此方法特点
是清理干净，效率高。

图6为主动齿轮螺纹清理机
示意。

图5 齿轮喷砂清理示意
1.转台
2.喷嘴
3.枪体
4.主动齿轮
3.化学清理
将涂覆涂料部位浸泡在温度为60～80℃的10%
～15%NaOH溶液中2～3h，可使其残留的防渗涂层
溶解。

（20111103）
图6 主动齿轮螺纹清理机示意
1.电动机
2.防护罩
3.钢丝轮
4.齿轮
5.卡位机构
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应力，还为曲轴的调质热处理做好了组织准备，正火后的45钢曲轴锻件在淬火后不再产生裂纹。

2. 45钢轴类零件的热处理工艺改进
某机械厂生产一批轴套，外径140m m ，内径100mm ，长320mm 。

如果采用圆钢制造，仅内孔切掉就浪费材料50%以上，而且浪费大量加工工时。

后来该厂采用外径略大内径略小的钢管制造，节约了大量钢材料并节省了大量加工工时。

为了提高轴套的强度，采用了调质热处理，其热处理工艺是：淬火加热温度840℃，水冷；550℃回火，保温2h 后空冷，回火后轴套硬度25～30HRC ，符合技术要求。

但是，第一批热处理的12个轴套中有两个出现裂纹。

分析其产生的原因：①由于中空套在淬火冷却时，内外壁冷却不均匀，外部冷却快，内壁冷却慢，造成内外应力不均匀，使轴套产生裂纹。

②钢套在轧制过程中产生的内应力未能很好地进行消除，因此在热处理时轧制后的残留应力和热处理淬火应力叠加，当叠加应力超过钢材的强度极限时，45钢轴套就会断裂。

针对以上原因，采取两项工艺改进：①淬火前，首先对轴套进行去应力退火，加热温度700℃，保温1h ，出炉后空冷。

②轴套在淬火冷却时，应垂直入水，并上下不停地运动，这就加快了轴套内壁的冷却速度，减少钢套内外壁冷却速度的不一致性，从而减少内外壁冷却应力。

采取以上两项工艺措施，轴套在热处理后不再出现裂纹，提高了产品质量，从而保证了轴套生产的正常进行。

3. 大型45钢锻轴的热处理工艺改进
在某热处理厂，我们对一根320mm ×1600mm 大型锻轴进行调质热处理，虽然淬火冷却过程采取多项工艺措施：即从电阻炉取出大型锻轴时放在空气中预冷却，适当降低淬火温度，在冷却阶段采取水冷→空冷→水冷→空冷→水冷，并提高出水温度，但锻轴仍出现裂纹。

这是因为大型轴淬火时内外温度相差较大，冷却速度不均匀导致内外应力过大引起的。

我们改进了热处理工艺，在处理大型锻轴时采用正火代替调质处理。

并对调质轴和正火轴进行组
织和性能的检查，发现两类轴组织和性能基本一致。

因此，我们认为对直径较大的轴可以采取以正火代替调质热处理，既解决了大型轴的质量问题，又可保证大型轴淬火不产生裂纹。

对于要求表面耐磨性较高的大直径轴，可采取锻后正火处理，加工成形后，再对大直径轴进行表面中频感应淬火，这样可大大提高轴的使用寿命。

4. 细长轴的热处理工艺改进
某机械厂处理一批20m m ×300m m 的45钢细长轴，其技术要求轴表面硬度45~50HRC 。

为了减少细长轴的热处理变形，我们采取了亚温淬火，即轴的加热温度800℃，水冷→油冷双液淬火，然后200℃保温2h 后空冷，轴的变形有所减小，硬度略有降低，热处理硬度43～48HRC 。

但在使用过程中，虽然硬度偏低，仍出现早期断裂。

原因分析：经金相组织检查，发现在回火马氏体组织中有块状残余铁素体，降低了轴的破断抗力，使轴在使用过程中出现了早期断裂失效，严重影响了生产的正常进行。

后来我们在处理此类轴时，适当提高了淬火加热温度（830℃），在水中冷却，当轴冷却到150~200℃时进行校直，这是因为45钢轴在200~150℃时，奥氏体向马氏体转变较激烈，相变超塑性效应明显，校直较容易，校直后进行200℃回火，轴类变形极小，硬度45~50HRC ，基本符合技术要求，而且在使用过程中不再出现早期断裂失效现象。

5. 劣质45钢轴的热处理
某机械厂在对一批45钢轴进行淬火热处理时，成批产生裂纹，采取各项措施如降低淬火温度，提高出水温度，及时进行回火，但仍有较多轴断裂。

进行化学成分分析和金相组织检查，发现这批材料含碳量较高，w C =0.58%、w S = 0.3%，严重超标；金相组织检查发现钢中含有较多非金属夹杂物。

硫含量过高和钢中含有大量非金属夹杂物是造成45钢轴在热处理过程中产生断裂的主要原因。

对于这批轴，我们只能采取全部报废的措施。

后来我们建议该厂严格控制钢材进厂门槛，对每批进厂钢材进行化学成分检查和金相组织检查，从源头上保证产品质量，防止废品的产生。

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渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈瓦房店轴承集团公司 （辽宁 116300） 王劲松 于志敏 吴 琼 姚艳书
G20CrNi2Mo 渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈，在使用过程中出现开裂现象。

由于该轴承产量高，使用部位关键，为避免再出现同样的开裂现象，必须找出其产生开裂的原因。

1. 外圈开裂宏观特征
失效的渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈外表面除有一条贯通的且与轴线平行的裂纹外，还有两条源自大裂缝的散射细裂纹。

除两端及中部非工作区外，套圈上有两道大的磨损区，呈不同的亮白色光泽带。

从距端面约20mm 的磨损区边缘开始分布有多条“刻度状”细小直裂纹，方向与大裂纹平行，最长的40mm 左右，多数为5～10mm ，如图1、图2所示。

这些特征说明，贯通的大裂纹是由这些细小裂纹之一发展而成的。

图1 外圈表面距端面20mm 处的“刻度状”裂纹
图2 磁粉检测发现的“刻度状”裂纹
2. 断口扫描电镜检查
外圈原始大裂纹的断口宏观特征如图3所示，呈现脆断特征，在外圈断口外表面“刻度状”裂纹区对应的断口处能见到疲劳源特征，如图4所示。

据此可判断套圈的开裂为疲劳脆断。

图3 断口宏观特征
图4 疲劳源位置
在扫描电镜下检查发现，疲劳源区位于套圈外表面的白亮带中，如图5、图6所示。

从不同放大倍率的断口组织可以看到该白亮区位于渗碳淬火层的表面，即靠近套圈的外表面处。

疲劳区域以下的渗碳淬火层开裂呈解理开裂特征，如图7所示，说明疲劳开裂不久就发生了一次性的快速断裂。

套圈心6. 结语
轴是工程机械中的重要零件，主要起着传递动力，并承受着不同大小和形式的载荷，如弯曲、扭转、疲劳、冲击等，因此，一般轴需要较高的力学性能，同时还要考虑选材的经济性。

45钢一般是轴的首选钢材，为了提高45钢轴的力学性能，需对轴进行调质热处理。

但是，由于
45钢淬透性较差，在水中淬火时，往往容易产生裂纹，因此我们首先要控制钢材进厂质量，其次在热处理时，根据不同情况，采取合理的热处理工艺，从而减少45钢轴在热处理过程及使用中出现早期断裂，提高轴的使用寿命，保证生产的正常进行。

（20111121）。