ND5主連桿鍛件裂紋分析

文/張毅峰，陳勝，潘安霞·南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司

ND5主連桿鍛件裂紋分析

文/張毅峰，陳勝，潘安霞·南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司

張毅峰，工程師，主要從事生產管理及精益生產的工作，獲得了1項發明專利。

N D5主連桿是內燃機車柴油機中的運動件，承受巨大的交變載荷的作用。因此要求具有很高的強度和韌性、良好的綜合機械性能；整體模鍛成形，其縱向斷面內宏觀金相組織金屬纖維方向與連桿外形相符；優化外形尺寸、斜度、過渡圓角等參數。某批ND5主連桿在熱處理后發現5件內孔邊緣有裂紋。本文通過外觀檢查、斷口宏微觀觀察、化學成分檢測和金相檢查，以確定產生裂紋的原因，并提出預防措施。

檢測結果

宏觀形貌檢查

ND5主連桿材質35CrMo，工藝流程為：自由鍛出坯→模鍛→切飛邊→火焰切割連皮→鏜孔→正火→調質→機加工。在熱處理后發現在5件連桿鍛件大頭孔內側壁處存在徑向裂紋，且裂紋位置基本相同。開裂連桿鍛件宏觀形貌如圖1所示，紅色箭頭所指區域為裂紋位置。在該區域取樣，并將裂紋人工打開后發現裂紋深約25mm，斷口宏觀形貌局部放大圖如圖2所示，兩側斷面耦合性較好，斷面存在較厚的氧化覆蓋層。

微觀形貌檢查

ND5主連桿鍛件斷口經掃描電鏡中觀察，斷面均被氧化物覆蓋，如圖3所示，該區域是斷裂源區域的微觀形貌照片，能譜分析結果表明該區域覆蓋層主要為基體的氧化物，能譜分析結果如圖4所示，具體數值見表1。

圖1 開裂連桿鍛件宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌局部放大

圖3 斷裂源區微觀形貌

圖4 斷裂源附近能譜分析結果

表1 能譜分析結果

化學成分檢查

在裂紋附近取樣進行化學成分檢查，成分檢測結果見表2。從表2可知，開裂連桿的化學成分滿足GB/T 3077-1999中關于35CrMo的化學成分要求。

表2 ND5主連桿化學成分 （單位：%）

金相檢查

將斷口沿圖2中虛線處切割制成金相樣，觀察斷裂源附近的微觀形貌。圖5是斷裂源附近的非金屬夾雜物微觀形貌照片，根據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定-標準評級圖顯微檢驗法》可評定其非金屬夾雜物級別為A0.5/D1.0。圖6是斷裂源附近的微觀照片，該區域存在灰色氧化層，氧化層內側未見氧化質點，但局部存在內氧化現象。圖7和圖8是斷裂源附近的金相組織照片，斷面與鍛造流線方向垂直，在斷面處存在明顯的氧化脫碳現象。圖9和圖10是距斷面約2.5mm處基體的金相組織照片，該區域組織為回火索氏體+約1%鐵素體，根據GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》可評定其奧氏體晶粒度約為8級。

圖5 100×非金屬夾雜物形貌

圖6 200×斷口邊緣微觀形貌

圖7 200×斷口邊緣金相組織

圖8 500×斷口邊緣金相組織

圖9 100×基體金相組織

圖10 500×基體金相組織

裂紋原因分析

根據斷口紋理收斂情況可以判斷，裂紋從連桿鍛件大頭孔內側表面首先產生，裂紋深約25mm。再經化學成分、非金屬夾雜物、裂紋周邊金相組織檢查，未發現異常，均符合相關標準的要求，因此可以排除由于原材料、鍛造工藝、熱處理工藝不當引起的裂紋。斷面與鍛造流線方向垂直，在斷面處存在明顯的氧化脫碳現象。斷面一側的灰色氧化覆蓋層較厚，氧化層內側未見氧化質點，但局部存在內氧化現象。另外，此批5件主連桿鍛件產生裂紋的位置基本一致，即為火焰切割連皮的開始割口處。因此可以判斷出裂紋的產生與火焰切割不當有關，而后續的鏜孔工序沒有完全把裂紋切除，經過熱處理后，裂紋沒有進一步擴展。

結論

⑴根據斷口紋理收斂情況可以判斷，裂紋從連桿鍛件大頭孔內側表面首先產生，裂紋深約25mm。

⑵化學成分滿足GB/T 3077-1999《合金結構鋼》的要求；非金屬夾雜物等級為A0.5/D1.0，裂紋周邊組織為回火索氏體+約1%鐵素體，奧氏體晶粒度約為8級，這表明材料潔凈度較好，熱處理工藝正確。

⑶ND5主連桿鍛件裂紋的產生與火焰切割不當有關。

⑷為防止此類裂紋缺陷再次出現，建議將火焰切割連皮的工序取消。優化ND5主連桿的切邊模，將連皮在鍛件切飛邊時一同切除，或者在熱處理后的機加工中將連皮切除。