20CrMnTi十字头销外圆表面微裂纹分析

1  试验结果与分析

1.1宏观形貌及尺寸检验

1）对十字头销进行整体清洗，可发现同一视场内微裂纹均占十字头销外圆表面积的3/4左右，且与轴线成约30°角，至一侧端面倒角处明显加深，如图1（1）所示；其余1/4外圆表面无微裂纹且位于另一端面附近，但可见车削刀痕和氧化皮，说明该部位磨床磨削时未与砂轮接触，如图1（2）所示，在经着色探伤、低倍组织后微裂纹十分明显，如图1（3）、1（4）所示。

2) 对十字头销一侧端面及止口进行观察，可见①端面外圆止口壁厚明显不同，经游标卡尺测量一侧为5.70mm，另一侧为4.50mm；②外圆端面内外侧倒角一侧较宽，一侧明显较窄，如图1（5）所示。

3）把十字头销装夹在车床上以外圆进行找正，发现该十字头销止口与外圆轴线不同轴、止口底端面与外圆轴线不垂直，在经车床车削后，止口处可见端面一侧非常光洁，另一侧明显留有痕迹，说明此侧未被加工到，如图1（5）所示。

            （1）                              （2）

（3）                  （4）                   （5） 

图1  十字头销的宏观形貌

1.2化学成分分析

在十字头销表面沿径向采用电火花线切割方法切一平面，离开表面在壁厚中间选择两点，用PMI-MASTER PRO移动式全谱火花直读光谱仪进行化学成分检测。结果见表1，显然，其化学成分符合GB/T3077-1999《合金结构钢技术条件》标准中20CrMnTi要求。故应排除由于材料成分不符合要求而造成裂纹这一因素。 

表1  20CrMnTi十字头销的化学成分(质量分数，%)

1.3金相显微分析

从十字头销有裂纹部分和无裂纹部分靠近各自端面沿径向，切割两块30×20×20mm长方形块，并按制样规范制备金相试样，分别标记为试样1、试样2。用4﹪硝酸酒精侵蚀后，在光学显微镜下观察。

试样1，如图2（1）、2（2）所示，图2（1）为渗碳区靠近外圆处的显微组织：回火马氏体+块状碳化物；渗碳层深度约1.0mm，不符合图纸≥1.20mm标准要求。图2（2）为心部显微组织：铁素体+珠光体，晶粒度6～7级，属于正常化后的组织形态，符合锻件标准的正火组织要求。

试样2，如图2（3）、2（4）所示，图2（3）为渗碳区靠近外圆处的显微组织：回火马氏体+块状碳化物；渗碳层深度约2.0mm，符合图纸≥1.20mm标准要求。图2（4）为心部显微组织：铁素体+珠光体，晶粒度6～7级，符合锻件标准的正火组织要求。            

图2   十字头销试样的显微组织    ×100

2  结论与建议

依据上述分析可知，化学成分和热处理不是十字头销外圆表面产生微裂纹的直接原因。

1）由宏观形貌观察及尺寸检验可知，十字头销在加工过程中，车完一头止口与外圆后，在倒个车另一头止口时，没有以外圆找正，导致该止口与外圆轴线不同轴，该止口底端面与外圆轴线不垂直，形成一面厚，一面薄；另外，通过止口上的倒角一侧宽，一侧窄这一现象，同样可以说明加工时没有找正。

2）根据金相显微组织观察发现，试样1渗碳层厚度约1.0mm，试样2渗碳层厚度约2.0mm，说明该十字头销在磨床磨削外圆表面时，十字头销外圆轴线与磨床装夹轴线（或定位止口轴线）不同轴，造成偏磨，所以渗碳层厚度存在明显差异。

由1）、2）可知，十字头销车削加工过程中，倒个后没有找正，导致两止口共公轴线与外圆轴线不同轴；在渗碳、淬火、回火后，磨床装夹时，也没有进行找正，造成砂轮工作面与外圆母线倾斜，这样磨削时砂轮工作面受力不均，由于倾斜的存在，形成一个原本应该没有的轴向分力，这个分力在磨削过程中对外圆造成挤压，且倾斜角、吃刀量越大分力越大，加之轴向进给速度较快（这从裂纹呈现有规则的30°角可以看出来），最终导致十字头销外圆表面形成磨削裂纹。由于不同轴，造成十字头销外圆某些部位因为倾斜过大，没有磨着，仍保留有车削痕迹，而这一部分着色探伤显示没有裂纹，侧面证明裂纹与热处理及前期加工无直接关系。

为了证实上述观点，我们做了磨削试验：

1）先在车床上对十字头销止口进行了修正，保证其两端面止口与外圆轴线同轴，止口底端面与外圆轴线垂直。

2）以两止口定位，外圆找正后，对该十字头销外圆中间部位进行磨床浅磨试验，每次磨去约0.05mm，用着色剂探伤进行观察。经5次浅磨后还可见轻微裂纹，再次对该部位进给0.02mm磨削后，用着色剂探伤显示该部位裂纹消失。如图3所示。实验证明：只要加工方法正确，十字头销外圆表面就不再出现裂纹。

图3 十字头销磨削试验后的外圆表面

鉴于以上因素，提出以下建议：

1）在加工工艺中详细规定磨削前十字头销的装夹找正方法及每次吃刀量、进给速度大小。

2）操作人：应按工艺基准找正后再加工；及时检查、修整砂轮，保证工作面与轴线平行、锋利；控制吃刀量、进给速度，不得超出工艺要求。

3）检查员：十字头销转热处理前，应检查各项尺寸、精度是否符合工艺要求，不符合应责令返工或返修。磨削前，应跟序检查，装夹找正是否正确。

后来，又重新加工8件十字头销，未再出现微裂纹。
 

（山东省潍坊生建机械有限责任公司  庄  森）