鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因分析與工藝措施

文／張先彬，黃昌文，陳天武，韓永·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因分析與工藝措施

文／張先彬，黃昌文，陳天武，韓永·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的功能是傳遞并承受汽車(chē)懸架系統(tǒng)載荷，支承并帶動(dòng)輪轂繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要安全零件，影響汽車(chē)行駛穩(wěn)定性、安全性及轉(zhuǎn)向靈敏性，要求其具有高強(qiáng)度和高疲勞壽命。鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)常用40Cr材料，一般調(diào)質(zhì)硬度為250～300HB。為進(jìn)一步提高產(chǎn)品疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，軸類(lèi)轉(zhuǎn)向節(jié)技術(shù)要求中常有軸承及軸頸段采取中頻淬火工藝，要求表面硬度50～60HRC，淬硬深度2～5mm。本文主要研究軸類(lèi)轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生斷裂的原因及改進(jìn)措施。淬火硬度過(guò)高或過(guò)低，淬硬層深度范圍超差，中頻感應(yīng)加熱出現(xiàn)過(guò)燒，淬火或回火過(guò)程出現(xiàn)裂紋等。

⑶輪轂軸承失效。如軸承裝配過(guò)緊、潤(rùn)滑不良，汽車(chē)行走中軸承發(fā)熱或軸承破碎，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸燒損、斷裂。

⑷交通事故或嚴(yán)重超載。強(qiáng)大的沖擊載荷引起強(qiáng)度斷裂。

結(jié)合質(zhì)量管理工具FMEA對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂主要失效模式及影響進(jìn)行分析。從圖1看出，鍛造毛坯缺陷、中頻淬火缺陷和嚴(yán)重超載或交通事故沖擊載荷，風(fēng)險(xiǎn)

轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的主要形式

軸類(lèi)轉(zhuǎn)向節(jié)主要應(yīng)用于卡車(chē)、客車(chē)、MPV、SUV等汽車(chē)，產(chǎn)品臺(tái)架試驗(yàn)及市場(chǎng)質(zhì)量反饋表明軸部斷裂是主要質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。主要表現(xiàn)形式分四類(lèi)：

⑴材料及鍛造毛坯缺陷。如材料帶來(lái)夾雜、折疊、裂紋等缺陷，鍛造過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)熱、折疊、裂紋，鍛后余熱淬火中工件溫度不均、入油溫度過(guò)高而產(chǎn)生裂紋等。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸斷裂FMEA表

⑵中頻淬火質(zhì)量缺陷。如表面指數(shù)（RPN）較高，必須從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程高度關(guān)注和認(rèn)真規(guī)劃。

關(guān)鍵工藝分析與控制措施

依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求和FMEA分析結(jié)果，分別對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造毛坯缺陷，特別是中頻淬火失效原因進(jìn)行分析并提出工藝保證措施。

⑴鍛造毛坯缺陷分析及工藝措施。

1)把好原材料進(jìn)廠質(zhì)量檢驗(yàn)關(guān)，按爐號(hào)抽樣，采用光譜分析儀、硬度計(jì)、電子顯微鏡分別對(duì)材料化學(xué)成分、硬度、金相進(jìn)行檢測(cè)，防止不合格材料進(jìn)廠。

2)鍛件調(diào)質(zhì)處理后，100%硬度檢測(cè)合格，發(fā)現(xiàn)不合格品標(biāo)識(shí)返工處理。

3)鍛件噴丸后，100%磁粉探傷分選，杜絕裂紋、折疊等缺陷鍛件出廠。

⑵中頻淬火缺陷分析及工藝措施。

（2）與其他砌體工程不同的是，該景墻采用的是先安裝再做基礎(chǔ)。即先將混凝土模型生產(chǎn)出來(lái)后再進(jìn)行填充。因其表面為曲面，若先做砌體基礎(chǔ)的話不利于塑形。

1）常見(jiàn)缺陷分析。

①中頻感應(yīng)加熱產(chǎn)生集膚效應(yīng)，表面溫度高，軸頸R尖角處容易出現(xiàn)過(guò)燒，或工件與感應(yīng)圈接觸“打火”。顯然是中頻感應(yīng)器與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸不匹配；②表面淬火硬度過(guò)高或過(guò)低、淬硬層深度不足，主要影響因素有中頻工作功率、加熱與冷卻時(shí)間、冷卻介質(zhì)等；③表面裂紋，主要影響因素有表面溫度不均導(dǎo)致淬火應(yīng)力過(guò)大、冷卻介質(zhì)冷速過(guò)快、回火工藝及淬回火間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。

2）典型轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂分析。

典型案例一：某皮卡車(chē)鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)總成在市場(chǎng)出現(xiàn)軸承位置斷裂，委托國(guó)家權(quán)威質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對(duì)故障件宏微觀觀察、金相檢查、能譜分析、化學(xué)成分及硬度檢測(cè)、分析（圖2、圖3），認(rèn)定轉(zhuǎn)向節(jié)的斷裂性質(zhì)和原因?yàn)椤稗D(zhuǎn)向節(jié)淬火部位硬度偏高（技術(shù)要求為50～55HRC）且深度過(guò)大（技術(shù)要求的淬硬深度為2～3mm），導(dǎo)致脆性開(kāi)裂的敏感性增加，在長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力作用下，發(fā)生了沿晶脆性開(kāi)裂。轉(zhuǎn)向節(jié)安裝臂等未中頻淬火區(qū)硬度約為28～29HRC，符合技術(shù)要求”，說(shuō)明鍛件毛坯合格，軸承部位中頻淬火過(guò)程中加熱溫度過(guò)高或過(guò)熱導(dǎo)致表面硬度和淬硬層不合格。

圖3 斷口擴(kuò)展后期沿晶+韌窩特征

典型案例二：某MPV轉(zhuǎn)向節(jié)新品開(kāi)發(fā)階段臺(tái)架試驗(yàn)軸頸處斷裂，通過(guò)對(duì)同批樣件切片宏觀觀察、金相及硬度檢測(cè)、分析（圖4、圖5），認(rèn)為斷裂原因是“中頻淬火后硬度偏低（技術(shù)要求為52～60HRC），尤其是軸頸R處淬硬深度偏小（技術(shù)要求的淬硬深度為3～5mm），導(dǎo)致軸承位置強(qiáng)度不足，試驗(yàn)中工作應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度而出現(xiàn)斷裂”。

圖4 臺(tái)架疲勞試驗(yàn)軸頸斷裂

圖5 切片檢查軸頸R處淬硬深度過(guò)小

轉(zhuǎn)向節(jié)軸部中頻淬火屬特殊特性工序，從以上分析看出，中頻淬火工藝過(guò)程能力CPk決定產(chǎn)品性能和質(zhì)量水平。開(kāi)發(fā)小組對(duì)中頻淬火設(shè)備、工藝、檢測(cè)等進(jìn)行全面策劃，主要措施有：①選購(gòu)200～250kW大功率中頻電源，保證加熱速度和節(jié)拍滿足不同尺寸產(chǎn)品要求；②針對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作專(zhuān)用感應(yīng)圈，以保證轉(zhuǎn)向節(jié)軸不同部位加熱均衡、淬火溫度一致；③選用PAG水性介質(zhì)，并針對(duì)不同淬火工藝和氣侯條件，調(diào)整PAG介質(zhì)濃度；④每批產(chǎn)品首件采取切片方式檢查金相、硬度及淬硬深度，首件合格方可批量生產(chǎn)。圖6為切片檢查報(bào)告；⑤中頻淬火后，產(chǎn)品100%磁粉探傷檢測(cè)，防止裂紋缺陷產(chǎn)品出廠；⑥加強(qiáng)工藝培訓(xùn)和設(shè)備工裝點(diǎn)檢，確保中頻淬火過(guò)程CPk≥1.33。

⑶效果驗(yàn)證。

我公司從事汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造二十余年，自2011年開(kāi)始轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)加工和中頻淬火工藝研究與實(shí)踐，采用改進(jìn)后的中頻淬火設(shè)備、工藝，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。近幾年開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)向節(jié)總成沖擊、疲勞試驗(yàn)均達(dá)到或超過(guò)整車(chē)廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，市場(chǎng)反映良好。

結(jié)束語(yǔ)

圖6 中頻淬火切片檢查合格報(bào)告

汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是重要安全件，追求質(zhì)量零缺陷。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段運(yùn)用APQP、FMEA、PPAP、SPC等質(zhì)量管理工具進(jìn)行前期策劃，對(duì)提高企業(yè)工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，防范市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。