20CrNiMo钢零件渗碳表层淬火开裂原因分析

钢制零件形成淬火裂纹的原因分析钢制零件在生产过程中产生废品或在使用期间的失效，原因是多方面的，但淬火裂纹的出现却是一个重要原因。

由于零件在淬火过程中，表面和心部的冷却速度不一样，因此形成马氏体的先后也不一样。

当零件表面先形成马氏体时，便给尚处于奥氏体状态的心部以拉力，这时，由于奥氏体的塑性很好，此应力可以通过奥氏体的塑性变形而被松驰。

但是，当这部分奥氏体冷却下来向马氏体转变时，由于先期形成的马氏体硬度高，脆性大，塑性极小，故后形成的马氏体部分对它产生的拉应力迅速增大。

一旦超过材料的强度极限，就会引起开裂。

另外，即使这种拉应力没有超过材料的强度极限，但由于材料内部的缺陷而造成强度降低，也会引起开裂。

这就是引起淬火开裂的物理机理，在实际生产过程中，又具体以8种形式表现出来。

1原材料已有缺陷而导致的淬裂如果原材料表面和内部有裂纹，在热处理之前未发现，有可能形成淬火裂纹。

在金相显微镜下观察，该裂纹两侧有脱碳层，且脱碳层中铁素体的晶粒粗大。

铸造2夹杂物导致的淬裂如果零件内夹杂物严重，容易造成应力集中，淬火时将有可能产生裂纹。

3因原始组织不良而导致的淬裂(1)若钢的显微组织具有严重的带状偏析或化学成分严重偏析，在淬火时会引起极大的组织转变应力。

再者，碳化物聚集处易发生过烧现象，因而使零件容易发生开裂。

(2)如果钢在淬火前残余内应力较大，在淬火时容易造成开裂，出现该情况的零件，往往存在晶粒粗大，有魏氏组织等现象。

(3)零件经一次淬火后若需返修，在第二次淬火前又未经消除组织应力，则有可能在第二次淬火中产生裂纹，其裂纹往往沿着第一次的淬硬层分布。

4淬火温度不当而造成的两种淬裂(1)仪表的指示温度低于炉子实际温度，使实际淬火温度偏高，造成过热淬火，导致零件发生开裂。

凡过热淬火开裂的显微组织，均存在着晶粒粗大和粗大马氏体，产生的裂纹主要以沿晶的形式存在。

(2)钢件实际含碳量高于钢材牌号所规定的含量，若按原牌号作正常工艺淬火时，等于提高了钢的淬火温度，故容易造成零件过热和晶粒长大，使淬火时应力增大而可能引起淬裂。

渗碳淬火裂纹的特征
渗碳淬火裂纹是一种常见的金属热处理缺陷，它在工业生产中造成了许多问题。

渗碳淬火裂纹是指在渗碳淬火过程中，金属材料表面出现的裂纹。

这种裂纹通常呈现出一定的形态特征，以及与渗碳淬火过程相关的特定位置。

渗碳淬火裂纹的特征之一是其位置分布的特殊性。

这些裂纹通常出现在金属材料的表面或近表面区域，而不是内部。

这是因为渗碳淬火过程中，表面的渗碳层与内部材料的差异导致了内外应力的不平衡，从而导致了裂纹的形成。

渗碳淬火裂纹的形态特征也值得关注。

这些裂纹通常呈现出沿着材料表面方向延伸的线状形态，有时呈现出分叉或交叉的形式。

这是由于渗碳淬火过程中，不同位置的温度和应力分布不均匀，导致裂纹在材料表面上扩展的方式不同。

渗碳淬火裂纹的特征还包括其尺寸和密度。

这些裂纹通常呈现出不同的尺寸和密度，有些裂纹可能很细小，几乎看不到，而有些裂纹则较大且密集。

这是由于渗碳淬火过程中，金属材料的组织和化学成分的不均匀性，导致了裂纹的形成和分布的差异。

渗碳淬火裂纹还具有一定的方向性特征。

这些裂纹通常沿着材料表面方向延伸，与材料的应力和变形方向有关。

这是由于渗碳淬火过程中，金属材料的热膨胀和收缩引起的应力分布不均匀性，导致了
裂纹在特定方向上的扩展。

总的来说，渗碳淬火裂纹具有位置分布特殊、形态特征独特、尺寸密度不均匀和方向性明显等特征。

了解和掌握这些特征对于预防和解决渗碳淬火裂纹问题至关重要。

在工业生产中，通过合理的工艺参数和控制措施，可以有效地减少渗碳淬火裂纹的发生，提高金属制品的质量和可靠性。

20CrMnMo小齿轮渗碳裂纹的产生及消除冯玲【摘要】我厂五缸柱塞泵小齿轮材质为20CrMnMo，技术要求为：轴部调质硬度310～350HBW，齿面渗碳淬火，硬度60～64HRC，心部硬度37～42HRC，保证有效淬硬层深1．5～2mm。

小齿轮经渗碳淬火后，在疲劳性能试验过程中只运转了26h即发现轮齿点蚀严重，甚至断裂。

【期刊名称】《金属加工：热加工》【年(卷),期】2012(000)021【总页数】2页(P42-43)【关键词】20CrMnMo;渗碳淬火;小齿轮;裂纹;调质硬度;心部硬度;淬硬层深;试验过程【作者】冯玲【作者单位】江汉第四石油机械厂材料工艺研究所,湖北荆州434024【正文语种】中文【中图分类】TG162.73我厂五缸柱塞泵小齿轮材质为20CrMnMo，技术要求为：轴部调质硬度310～350HBW，齿面渗碳淬火，硬度60～64HRC，心部硬度37～42HRC，保证有效淬硬层深1.5～2mm。

小齿轮经渗碳淬火后，在疲劳性能试验过程中只运转了26h即发现轮齿点蚀严重，甚至断裂。

取小齿轮横截面，腐蚀后，肉眼就能观察到沿轮齿渗碳处有很多细小的裂纹（见图1）。

放大12.5倍可以观察到，裂纹多分布在齿根，如图2所示，并且有很多是未开放性裂纹（见图3），未开口的裂纹呈网状分布在渗层的过渡区。

经分析，齿轮的化学成分符合GB/T3077要求。

齿轮渗碳层深1.8mm，碳化物1～2级，均符合要求。

小齿轮经渗碳后，渗层中含碳量远高于心部，同时，渗碳层内的奥氏体也具有不同的饱和碳量，因而渗层中不同区域的奥氏体的稳定性和转变机制不一样，这就造成了钢件冷却后渗碳层内组织结构不均匀，内应力较大。

在一定的冷却速度下，渗碳表面的过共析层先冷缩并转变为托氏体+碳化物组织，在随后的冷却过程中，内层较稳定的奥氏体转变为马氏体，体积胀大，渗碳层到心部的过渡层又得到索氏体或托氏体，从而使表面的托氏体和碳化物层受到很大的拉应力作用，工件受力情况如图4所示。

20CrMnTi圆钢加工开裂原因分析及改进措施王雷国;王建忠;姚建辉;杜敬洲【期刊名称】《金属世界》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】4页(P60-63)【作者】王雷国;王建忠;姚建辉;杜敬洲【作者单位】河钢邯钢品质管理部,河北邯郸 056015;河钢邯钢品质管理部,河北邯郸 056015;河钢邯钢品质管理部,河北邯郸 056015;河钢邯钢品质管理部,河北邯郸 056015【正文语种】中文渗碳钢20CrMnTi淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，正火后可切削性良好，抗疲劳性能相当好，被广泛用于制造承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。

邯钢一炼钢厂有一台200 mm×200 mm断面方坯连铸机，具有中间包连续测温、结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌等功能。

大型轧钢厂棒材生产线全线轧机能够实现全线无扭控制轧制，轧线上设有测径仪，可保证产品尺寸精度。

邯钢大型轧钢厂棒材生产线于2011年3月投产，年设计生产能力为80万t，产品规格为φ12～90 mm圆钢，其中20CrMnTi占全部产量的5%。

但是该品种自生产以来，断续在使用过程中发生了几起较为典型的加工开裂问题，经过系列分析，找出了导致加工开裂的原因，并制定了改进措施，使加工开裂问题得到控制。

原因分析根据加工开裂质量异议处理情况，认为导致20CrMnTi加工开裂原因主要分为炼钢原因、轧钢原因和用户加工原因。

其中，20CrMnTi的化学成分要求见表1。

炼钢原因某用户反馈的棒材20CrMnTi在锻造、辗环过程发生纵向裂纹(见图1)，用户加工工艺为：圆钢—中频加热—下料—锻打—辗环—机加工—热处理。

从缺陷试样上切取金相试样进行裂纹缺陷分析(见图2)，裂纹深度为2.61 mm，裂纹头部宽度0.57 mm，裂纹周围可见大量氧化物质点，裂纹周围组织存在严重脱碳，判定该裂纹缺陷为铸坯裂纹。

渗碳淬火的问题和对策作者：孙亮来源：《经济技术协作信息》 2018年第5期大型铸锻件在渗碳淬火时经常会因工件材质、操作方法、淬火介质等很多复杂因素导致出现淬火裂纹，充分认识各种裂纹形成的原因，并针对问题提前做出有效措施进行预防，对大型铸锻件的渗碳淬火成功率会有很大的提高。

一、硬度不良渗碳淬火的目的是为了提高钢制零件的表面硬度，所以硬度不足就满足不了使用要求。

渗碳淬火硬度不足的原因，可以认为是渗碳不足；淬火时脱碳；淬火温度过低；冷却速度太慢等。

同时也不要忽略表面层内存在的残余奥氏体，以及晶界氧化对硬度的影响。

理想的渗碳含碳量是共析渗碳量的0.8%~0.9%。

如果含碳量高于0.8%~0.9%，将出现网状渗碳体而变脆，这是令人讨厌的，这种现象称为过渗碳。

出现过渗碳时，最好进行球化处理，渗碳至含碳量为1.1%~1.2%，使其像工具钢那样进行球化的工艺方法称为TSP（tool steel process）法，即工具钢法，这个方法用于需要耐磨性的零件，它比渗碳不足所造成的硬度不良要强些。

渗碳不足是由渗碳气体的渗碳能力过低，渗碳温度和渗碳时间不足引起的，必须注意。

但是，即使顺利地渗了碳，渗碳后的淬火没做好也得不到好结果，渗碳后的淬火有一次淬火（未渗碳的心部细化）和二次淬火（表面硬化），此淬火温度过低和冷却速度过慢自然会引起硬化不良，不过最近为了节省能源，一般是渗碳后直接淬火，因此不存在这个问题。

渗碳层的硬度不足，是残余奥氏体和晶界氧化造成的，渗碳层的含碳量多及为减少淬火变形使用油淬，会使渗碳层的残余奥氏体多，在这种情形下最好进行冷处理，还有，晶界氧化是渗碳气体中少量的氧与钢中的铬和锰化合，在晶界上生成氧化物，使晶界的淬透性降低以致难以淬硬。

因此，最好在渗碳气体中掺入少量的氮气或提高淬火速度，以补充淬透性的不足。

不过，晶界氧化层在表面下只有数微米到数十微米厚，因此可以用磨削除掉。

二、软点有时在渗碳淬火的表面产生淬火软点，渗碳后淬火时如果冷却不均匀往往产生软点。

工件淬火冷却时，如其瞬时内应力超过该时钢材的断裂强度，则将发生淬火裂缝。

因此产生淬火裂缝的主要原因是淬火过程中所产生的淬火应力过大。

若工件内存在着非金属夹杂物，碳化物偏析或其他割离金属的粗大第二相，以及由于各种原因存在于工件中的微小裂缝，则这些地方，钢材强度减弱。

当淬火应力过大时，也将由此而引起淬火裂缝。

在实际的生产中，往往会根据淬火裂缝特征来判断其产生的原因，从而采取措施预防其发生。

1、纵向裂缝沿着工件轴线方向由表面裂向心部的深度较大的裂缝，它往往在钢件完全淬透情况下发生。

从纵向裂纹方向看，恰好应力是在切向拉应力方向，而又常见于完全淬透情况下。

因此，纵向裂纹是因淬火时组织应力过大，使最大切向拉应力大于该时材料断裂抗力而发生。

纵向裂缝也可能是由于钢材沿轧制方向有严重带状夹杂物所致。

该带状夹杂物所在处，犹如既存裂缝，在淬火切向拉应力作用下，促进裂缝发展而成为宏观的纵向裂缝。

这时如果把钢材沿纵向截取试样，分析其夹杂物，常可发现有带状夹杂物存在。

纵向裂缝也可能由于淬火前既存裂缝在淬火时切向拉应力作用下扩展而成，这时如果垂直轴线方向截取金相试样观察附近情况，可以发现裂缝表面有氧化皮，裂缝两侧有脱碳现象。

2、横向裂缝和弧形裂缝横向裂缝常发生于大型轴类零件上，如轧辊、汽轮机转子或其他轴类零件。

其特征是垂直于轴向方向，由内往外断裂，往往在未淬透情况下形成，属于热应力所引起。

大锻件往往存在着气孔、夹杂物、锻造裂缝和白点等冶金缺陷，这些缺陷作为断裂的起点，在轴向拉应力作用下断裂。

3、表面裂缝这是一种分布在工件表面的深度较小的裂纹，裂纹分布方向与工件形状无关，但与裂纹深度有关。

当工件表面由于某种原因呈现拉应力状态，且表面材料的塑性又很小，在拉应力作用下不能发生塑性变形时就出现这种裂纹。

例如表面脱碳工件，淬火时表层的马氏体因含碳量低，其比体积比与其相邻的内层马氏体的小，因而脱碳的表面层呈现拉应力。

当拉应力值达到或超过钢的破断抗力时，则在脱碳层形成表面裂纹。

渗碳淬火裂纹的特征1.引言1.1 概述概述部分的内容：引言一直是一篇论文的第一步，它用来介绍整篇文章的背景和主题，为读者提供一个整体的认识。

就本文而言，我们将讨论渗碳淬火裂纹的特征。

渗碳淬火是一种常用的热处理方法，用于提高金属材料的硬度和耐磨性。

然而，渗碳淬火过程中会产生裂纹，严重影响材料的性能和可靠性。

本文的目的在于探讨渗碳淬火裂纹的特征，以帮助读者深入了解这个问题，并提出控制和预防裂纹的方法。

在本文中，我们将首先介绍渗碳淬火裂纹的形成机理，了解裂纹产生的原因。

随后，在第二部分中，我们将详细描述渗碳淬火裂纹的特征，包括裂纹的形态、数量、大小、分布等。

最后，在结论部分，我们将总结渗碳淬火裂纹的特征，并提出控制和预防裂纹的建议和方法。

通过阅读本文，读者将获得对渗碳淬火裂纹的深入了解，从而更好地应对这一问题，提高材料的质量和性能。

同时，本文对于研究渗碳淬火的科研工作者和相关行业的技术人员都具有一定的实际应用价值。

接下来，我们将进入正文部分，首先介绍渗碳淬火裂纹的形成机理。

1.2文章结构文章结构:文章主要分为引言、正文和结论三个部分，具体结构如下：1. 引言1.1 概述在本节中，将对渗碳淬火裂纹的特征进行介绍，并阐明该研究的重要性和意义。

同时，简要介绍渗碳淬火裂纹的形成机理，引出下文将要阐述的内容。

1.2 文章结构本节将对整篇文章的结构进行概括性的介绍，明确每个部分所涵盖的内容，以便读者对全文有一个整体的把握。

1.3 目的本节将明确本文的研究目的，即对渗碳淬火裂纹的特征进行详细的剖析，分析其中的形成机理，并提出一些控制和预防的方法。

2. 正文2.1 渗碳淬火裂纹的形成机理在本节中，将详细介绍渗碳淬火裂纹形成的原因和机理，包括材料的热处理过程、渗碳的作用机制以及淬火过程中的应力与组织变化等方面。

通过对形成机理的分析，可以更深入地理解渗碳淬火裂纹的特征。

2.2 渗碳淬火裂纹的特征本节将系统地介绍渗碳淬火裂纹的特征，主要包括裂纹的形貌、分布、尺寸等方面。

20号钢渗碳淬火变形20号钢是一种广泛应用于汽车、拖拉机及一般机械制造业的钢材，其渗碳淬火过程中的变形问题一直是制造业者关注的焦点。

下面将从热处理工艺、原材料、机械加工、工件结构等方面分析20号钢渗碳淬火变形的原因，并针对这些原因提出相应的解决方案，以帮助企业更好地控制工件变形，提高产品质量。

一、20号钢渗碳淬火变形的原因1、热处理工艺不当：渗碳淬火过程中，温度控制不准确或冷却速度过快，会导致工件内部产生热应力，从而引起变形。

2、原材料问题：原材料的化学成分、晶粒度、合金元素等都会影响渗碳淬火过程中的变形。

例如，碳含量过高、晶粒度粗大等都可能导致工件变形。

3、机械加工因素：工件在机械加工过程中，加工余量过大、刀具磨损、切削热等问题，也会导致工件变形。

4、工件结构因素：工件结构复杂或存在局部热处理不均匀等问题，可能引发工件变形。

二、减小20号钢渗碳淬火变形的措施1、优化热处理工艺：制定合理的热处理工艺参数至关重要。

根据20号钢的特性，选择合适的渗碳温度、时间和冷却速度，以达到30-35HRC的硬度。

同时，严格控制加热速度和冷却速度，避免因温度变化过快而导致的热应力过大，确保工件内部热应力平衡，减小变形。

2、提高原材料质量：选用优质钢材，控制好化学成分和晶粒度，确保原材料质量符合要求。

并对原材料进行严格的化学成分分析和物理性能测试，确保原材料的质量达到要求。

此外，对原材料的晶粒度进行检测，以确保其符合规定范围。

3、机械加工注意事项：合理安排加工工艺，要注意控制加工余量，避免因加工余量过大而导致工件变形。

合理选择刀具，注意刀具的磨损和切削热对工件的影响。

此外，合理安排加工顺序，避免因加工顺序不当导致的工件变形。

4、工件结构设计：工件的结构设计也是影响渗碳淬火变形的重要因素。

设计时应尽量使工件结构简单、对称，避免复杂结构带来的热处理不均匀问题。

对于存在局部热处理不均匀的工件，可以采用局部淬火或分区淬火的方法，以减小变形。

20CrMnMo渗碳齿轮磨削裂纹原因分析王孟;刘洋;李炎;谷浩鹏;王忠【期刊名称】《金属加工：热加工》【年(卷),期】2015(000)013【总页数】2页(P14-15)【作者】王孟;刘洋;李炎;谷浩鹏;王忠【作者单位】山推工程机械股份有限公司;山钢集团莱芜分公司宽厚板事业部;山推工程机械股份有限公司;山推工程机械股份有限公司;山推工程机械股份有限公司【正文语种】中文大型工程机械传动齿轮要求具有较高的加工精度、耐磨性及抗疲劳强度，故这类齿轮材料常选用20CrMnMo，热处理工艺为渗碳淬火，但渗碳淬火后齿轮齿面精度较差，要对其齿面进行磨削加工。

磨削时由于磨削工艺、齿轮本身金相组织等问题常出现磨削裂纹现象。

磨削裂纹产生主要由内外两个原因造成的。

内因：齿轮的金相组织不合格造成磨削裂纹的产生；外因：磨削加工产生的热应力、组织应力造成磨削裂纹。

本文针对我公司出现的几种磨削裂纹现象进行分析。

我公司20CrMnMo渗碳齿轮磨削时，发生磨削裂纹现象，磨削10件齿轮，裂纹6件。

裂纹齿轮如图1所示，为进一步检验裂纹状况，我们在裂纹的齿部截取1、2、3号试样，1、2号用于分析齿轮的化学成分、金相组织等，3号试样用于着色检测，检测结果如图2所示。

从图2着色检测情况看，裂纹数量非常多且接近于平行状，裂纹非常细小，规则排列成条状，并垂直于磨削方向。

从裂纹形貌看，属于较为典型的磨削裂纹，这类裂纹是由于回火不充分、残留奥氏体含量过高所致。

分析齿轮的金相组织，齿轮渗碳层的金相组织如图3a所示，可以看出组织为马氏体、残留奥氏体、碳化物，残留奥氏体含量（体积分数）约在30%，碳化物级别为3级。

按照《JB/T 6141.3—1992 重载齿轮渗碳金相检验》标准评判，此金相组织为4级，残留奥氏体含量较高，致使磨削时组织转变量较多，表面应力较大，存在磨削裂纹潜在危险，验证了我们之前的分析。

该齿轮心部组如图3b所示，组织为板条状马氏体。

观察裂纹处的金相组织，如图4所示，裂纹深度为0.3mm。