慧荣技术观 | 20CrMnTiH齿轮钢零件开裂原因分析
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作者:HONRULE
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发布时间 :2026-04-27
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文章对开裂的20CrMnTiH零件进行了一系列理化检测（化学、金相、电镜分析）。结果显示，化学成分合格，裂纹内含有氧、铁元素，并存在明显的氧化脱碳现象。通过工艺排他分析和退火实验，最终判定零件开裂的根本原因是在锻造工序中产生了折叠缺陷。该缺陷在后续加工中未被完全去除，最终在精车工序暴露为可见裂纹。报告建议通过优化锻造工艺和对锻件进行磁粉探伤来预防此问题。
针对20CrMnTiH齿轮钢零件表面开裂问题，通过使用直读光谱仪（OES）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）等观察分析手段，对开裂零件进行了化学成分检测、金相检测、扫描电镜分析。
结果表明：零件锻造过程不良，导致锻造过程中零件表面产生折叠缺陷，后续加工过程折叠缺陷未能完全去除，呈现出 目视可见的裂纹缺陷。
20CrMnTiH是一种良好的合金渗碳钢，其中“H”的意思是保证淬透性钢。这是一种具有较高强度、韧性和耐磨性的合金钢材料，具有出色的机械性能和热处理性能，能够承受高强度和高载荷的工作条件；同时该材料还具有优良的耐腐蚀性能和可焊性。其使用量在国内的齿轮钢行业占据着主导地位，主要用来制造承受较高应力和抗冲击载荷的各种工程机械、汽车农用车重要机械零件，如变速箱齿轮、离合器轴齿等 。
客户使用 20CrMnTiH圆钢加工齿轮零件时，在精车环节发现部分零件存在表面裂纹，客户加工工艺：圆钢下料→锻造→等温正火→粗车→ 精车→渗碳淬火→精加工。由于存在表面开裂问题，需对零件进行人工挑检，影响了生产节奏，增加了生产成本，急需查明裂纹产生原因， 以便预防此类问题的产生。为了确认材料裂纹产生原因，避免此类裂纹后续重复发生，对存在裂纹的零件进行了检测分析，查明了20CrMn⁃TiH零件开裂的原因。
化学分析：对存在裂纹的零件使用直读光谱仪进行化学成分检测，零件化学成分见表1。表1显示零件的化学成分符合GB/T5216—2014《保证淬透性结构钢》标准中20CrMnTiH的相关要求。
宏观分析： 目视观察裂纹位于零件表面横截面上，沿圆周分布，裂纹宏观形貌见图 1。
将零件沿图1箭头所示方向纵剖取样，使用体视显微镜观察试样纵剖面形貌。结果显示：裂纹笔直由表面向材料内部逐渐变窄，并与表面呈30°倾角，裂纹深约1mm，裂纹纵截面形貌如图2所示。
金相分析; 对试样纵剖面进行磨制抛光清洗后，使用金相显微镜对试样抛光面进行观察，裂纹倾斜于表面向内发展，与表面呈30°交角。裂纹末端圆滑，其内见氧化铁，裂纹内及附近未见异常非金属夹杂物，浸蚀前裂纹处微观形貌放大100倍后如图3所示。
使用硝酸酒精溶液对试样抛光面进行浸蚀，清洗吹干后观察其组织形貌，裂纹处组织为铁素体+少量珠光体，浸蚀后裂纹处显微组织如图4所示。
正常区域组织为铁素体+珠光体，正常区域显微组织放大100倍后如图5所示。
对比裂纹处与正常区域组织可知裂纹处铁素体明显偏多，即裂纹处存在明显脱碳现象。
电镜分析； 在超声波清洗仪中对试样表面进行清洗，随后使用扫描电子显微镜（SEM）配备的能谱仪ED500对裂纹处进行成分分析。结果显示：裂纹内主要有 O、Fe 元素裂纹处能谱分析结果如图6所示。
裂纹内及附近未见异常非金夹杂物，裂纹处元素面扫描图如图7所示。
成分检测结果表明零件成分符合国标要求。 由宏观、金相及电镜能谱检测结果可知：裂纹位于零件横截面圆周上，裂纹倾斜于表面向内扩展，其内存在明显氧化脱碳现象。结合客户加工工艺，由于正火后未再进行其它热处理，不存在产生氧化脱碳的条件，可知此裂纹正火之前已经存在。根据裂纹形貌判断裂纹可能来源于圆钢表面缺陷或锻造缺陷 。 为验证推测结果，截取部分裂纹试样进行 退火处理显示出原始组织流变情况，用于判断是否为折叠缺陷。热处理工艺为：试样加热到890℃保温30min，炉冷到600℃后出炉空冷至室温。对退火后的试样进行磨制抛光腐蚀后，在显微镜下观察裂纹处组织形貌，裂纹处珠光体和铁素体条带在裂纹处存在明显的折叠变形形貌，退火后裂纹处显微组织形貌见图8。
通过以上分析可知：20CrMnTiH零件开裂原因是由于客户在进行零件锻造的过程中产生了折叠缺陷。由于零件锻造过程产生了较深的折叠缺陷，在后续的加工过程中折叠缺陷未被完全去除，在精加工后显现出来，呈现为目视可见的裂纹。锻造折叠是金属在锻造过程中形成的一种缺陷，它主要是由于金属变形流动过程中已氧化过的表层金属汇合到一起而形成的。 锻造折叠的成因复杂，与坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况以及锻造的实际操作等多个因素密切相关。对锻造过程进行加严管控，并对锻造后的零件毛坯进行磁粉探伤，后续未再出现此类折叠缺陷。
20CrMnTiH裂纹内主要含有O.Fe元素，裂纹内及附近未见异常非金夹杂物，且裂纹位于零件横截面圆周上，裂纹倾斜于表面向内扩展， 其内存在明显氧化脱碳现象，因此零件开裂是客户锻造过程产生的折叠缺陷，在后续的加工过程中未被完全去除，并在精加工后显现出来造成的。
第一作者简介：董凤奎（1989—），男，本科，高级工程师，研究方向为钢铁材料的技术与研究。通信作者简介：刘凤连（ 1979—），女，本科，工程师，研究方向为工业节能降耗技术与研究。
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