五个案例，45钢轴类零件热处理断裂分析及预防

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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，严重影响生产的正常进行。

1.柴油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，该厂采取的加工工序是：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。

分析工序安排和以往的经验，这是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，曲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的分析，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。

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2.45钢轴类的热处理工艺改进
某机械厂生产一批轴套，外径φ140mm，内径φ100mm，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，这样就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，我们采用了调质热处理，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2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钢钢套就会断裂。

针对以上原因，我们采取两项工艺改进：①淬火前，首先对轴套进行消除应力退火，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温度的不一致性，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。

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3.大型45钢锻轴的热处理工艺改进
在某一热处理厂，我们对一根φ320mm×1600mm大型锻轴进行调质热处理，虽然我们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，在冷却阶断采取水冷→空冷→水冷→空冷→水冷，并提高出水温度，但锻轴仍旧出现裂纹。这是因为大型轴淬火时内外温度相差较大，冷却温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，在处理大型锻轴采取了用正火代替调质处理。并对调擀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，这样既解决了大型轴的质量问题，又可保证大型轴淬火裂纹的产生。对于要求表面对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。

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4.细长轴的热处理工艺改进
某机械厂在处理一批φ20mm×300mm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铁素体，残余铁素体破坏了轴的破断抗力，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，轴类变形极少，硬度45~50HRC，基本符合技术要求，而且在使用过程中不再出现细长轴早期断裂失效现象。

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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，成批裂纹产生，后来虽然采取各项措施：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。后来我们对这批45钢进行化学成分分析和金相组织检查，发现这批轴含碳量较高，wC=0.58%，wS= 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组织检查，从源头上保证产品质量，防止废品的产生。

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轴由于价格便宜，来源方便，加工性能好等特点是一般轴的首选钢材。而且为了提高45轴的力学性能，还需对轴进行调质热处理。但是由于45钢淬透性轴差，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，在热处理时，根据不同情况，采取合理的正确的热处理工艺，从而减少45钢轴在热处理过程中及使用中出现早期断裂，从而提高轴的使用寿命，保证生产的正常进行。

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