曲轴主要承受交变的弯曲-扭转载荷和一定的冲击载荷，轴颈的表面还受到磨损。若曲轴出现裂纹，在弯曲、扭转、冲击载荷的作用下，曲轴就会迅速断裂；因此曲轴各部位严禁有裂纹存在。某类型的42CrMo钢曲轴毛坯经调质处理，在后续曲轴磁粉探伤时，发现部分曲轴小头出现纵向裂纹，见图1。为了改进工艺，减少经济损失，对该曲轴的裂纹产生的原因分析，以采取相应的措施防止此类裂纹的产生。

1.曲轴技术要求

曲轴毛坯调质后的力学性能应满足：屈服强度≥650MPa，抗拉强度：880～1000MPa，A≥14%，Z≥40%，硬度28～34HRC，夏比V型冲击功≥35J，显微组织按GB/T13299 1～4级均匀回火索氏体，晶粒度按GB/T6394奥氏体晶粒度5～8级。

2.生产工艺及设备

曲轴生产工艺：下料→加热→锻造→切边→校正→调质→抛丸→磁粉探伤→打磨→防锈→入库。

调质工艺路线：设备为连续式网带炉；870℃加热，10%PAG介质淬150s；600℃回火后喷雾冷却。

3.试验材料与方法

选取上图中有裂纹的曲轴，在其主轴中心应用直读光谱仪Q6（COLUMBUS）分析材料化学成分，分析结果见附表。

42CrMo曲轴化学成分（质量分数）（%）

在曲轴小头裂纹处取金相样，金相显微镜XJL-09BD观察裂纹形态、金相；用洛氏硬度机测定洛氏硬度；将曲轴裂纹打开后用EVO18扫描电镜观察断口形貌.

4.试验结果与分析

（1）曲轴宏观分析

宏观图1a、图1b、图1c失效曲轴裂纹为纵向裂纹，裂纹呈直线方式以张开型由表面向中心扩展，裂纹终止于小头中心附近；图1a中曲轴小头有伤，表面不光滑，有个别锻后曲轴毛坯在小头处有锻造伤,见图1d；这些地方内应力增大，产生应力集中，淬火时可能会造成曲轴的开裂.

（2）曲轴裂纹的附近硬度

在金相样上远离裂纹处检测洛氏硬度，检测结果为30HRC、31HRC、31.5HRC、30.5HRC，硬度合格。

（3）曲轴化学成分分析

该批曲轴的化学成分与上批曲轴除C、Cr（w_C=0.41%,w_Cr=1.01%）含量差距较大外，其他元素含量相近。一般说来，随着马氏体中含碳量的增加，增大了马氏体的脆性，降低了钢的脆断强度，增大了淬火裂纹倾向。在含碳量增加时，热应力影响减弱，组织应力影响增强；增加了淬火开裂倾向。合金元素增多时，钢的导热性降低，增大了相变的不同时性；同时合金含量增大，又强化了奥氏体，难以通过塑性变形来松弛应力，因而增大热处理内应力，有增加淬裂的倾向。

（4）曲轴显微组织及裂纹微观形貌

图2a为曲轴裂纹前端的微观形貌。可以看到裂纹表面较宽，内部较窄，这说明裂纹从表面向内部扩展，扩展过程中裂纹无分枝，裂纹两侧不存在脱碳，组织为回火索氏体。图2b为曲轴裂纹附近金相，为4.0级均匀回火索氏体；奥氏体晶粒度为6.5级；满足曲轴技术条件。

将裂纹打开，对断口进行了去氧化处理的断口表面进行扫描电镜分析，如图3所示，可观察到沿晶特征，但晶粒表面圆钝，断口表面呈很明显的沿晶形貌特征。根据淬火裂纹特征，可以判断该曲轴裂纹为淬火裂纹。取曲轴小头（常规检验部位）纵截面进行非金属夹杂物按GB/T10561评定，结果为A1.5B1.0C0D1；满足材料标准要求。

（5）裂纹产生模型分析

该曲轴裂纹为典型的淬火裂纹中的纵裂，纵裂通常是在工件完全淬透，由组织应力造成。纵裂形成的应力-力学条件是在零件表面上的最大拉应力超过材料的断裂强度，纵裂产生的力学模型与组织应力的原因一致，即：在淬火冷却初期，零件表层比心部先转变成马氏体，随后零件心部马氏体相变是在外层马氏体限制下进行的，而马氏体相变会发生体积膨胀，于是心部金属给外层金属扩张作用，在外表面引起最大拉应力，如前所述，组织应力的切向应力显著大于轴向应力，当这一应力超过材料的断裂强度便会发生纵裂。力学模型见图4。 由于部分曲轴小头表面存在锻造伤，使小头部位产生应力集中，增大了组织应力，促进了纵裂的产生；而较高的碳含量和较高的合金元素含量也增加淬裂的倾向。

5.改进措施

（1）调质前将曲轴锻造伤打磨掉，提高表面质量，消除应力集中源。

（2）调整工艺，减小淬火时组织应力。降低淬火温度，缩短淬火时间，减小淬火前后的曲轴的温差，降低淬火时的组织应力和热应力，减少开裂倾向；增大PAG介质浓度，降低介质的冷却速度，减小组织应力，也能减小开裂倾向。

（3）关注原材料化学成分。最好控制原材料化学成分在标准要求的中限，根据原材料的化学成分，制定相应的调质工艺，若原材料中碳和合金元素含量较高，可适当降低淬火温度，缩短淬火时间，增大介质浓度等措施减小开裂。

采取以上措施后，没有再产生类似淬火裂纹，提高的产品的质量，减少了公司的经济损失。

6.结语

（1）通过分析，部分曲轴小头表面存在锻造伤，使小头部位产生应力集中，增大了组织应力，促进了纵裂的产生；该批42CrMo曲轴原材料含有较高的碳含量和较高的合金元素，在调质过程中，组织应力较大，增大了淬火裂纹的产生倾向。

（2）通过改善曲轴表面质量，采取更温和的淬火，控制原材料化学成分，对特定的化学成分制定特定的调质工艺，可以杜绝此类淬火裂纹的产生。

作者：印小松、董旭刚、周兵、赵金华

单位：重庆大江杰信锻造有限公司