某產品下殼體裂紋原因分析

褚小菲，楊有才，石燕，馮軍海

豫西集團河南北方紅陽機電有限公司 河南南陽 474678

某產品下殼體生產過程中，在機加工第一道工序車削外形后，操作者從加工完畢的20件下殼體中發(fā)現(xiàn)2件外圓表面有肉眼可見的裂紋，裂紋位置如圖1所示。故對在制未機械加工的下殼體進行了100%超聲波檢測加磁粉檢測，共發(fā)現(xiàn)284件有裂紋工件。

圖1 裂紋位置示意

圖2 下殼體裂紋故障樹

1 故障分析及定位

結合下殼體加工過程，按故障樹分析法，對其產生的原因進行分析，列出故障樹如圖2所示。

（1）人員 操作人員經培訓考核，做到了持證上崗。

（2）設備 工藝設備選用箱式電阻爐RX3-75-9、井式電阻爐RJ2-75-6均處于完好狀態(tài)，并經計量機構定期校檢合格。

（3）原材料 原材料為φ 32m m棒材，45鋼（GB/T 699—2015），原材材料進廠驗收指標均合格并開具合格證。

（4）工藝 下殼體加工流程：棒料鋸切→坯料加熱→模鍛→退火→粗加工→熱處理→精加工→磁粉檢測→電泳涂漆。

熱處理工藝流程：工件加熱→淬火→清洗→抽檢淬火硬度→回火→磨平面→硬度檢驗。

產品工藝經技術部門編制審核，在2018年兩萬余件下殼體試生產過程中，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，工藝參數(shù)合理、有效。

（5）故障定位 經過以上排查，排除了設備、材料和工藝可能存在的問題，基本確定下殼體裂紋是在熱處理過程中產生的。

2 理化檢驗

從裂紋下殼體中挑選較嚴重的1件進行理化檢驗，并挑選工件裂紋批次原材料與鍛件進行對比試驗。

（1）宏觀觀察 工件外表面有兩條裂紋，均由工件大頭沿縱向延伸，裂紋較直，最長一條裂紋長約30mm，大頭橫截面部位裂紋貫穿工件整個壁厚。在下殼體試樣中間部位切取橫向低倍試樣，酸浸后觀察低倍組織正常，未發(fā)現(xiàn)其他破壞金屬連續(xù)性的低倍缺陷。

（2）硬度檢驗 在裂紋處取樣進行硬度檢驗，結果為26.5～27.5HRC，符合工藝25.0～32.0HRC的要求。

（3）金相檢驗 在工件裂紋處切取兩塊橫向金相試樣磨制，其中一塊試樣橫截面貫穿整個截面，另一塊試樣斷續(xù)延伸貫穿整個截面，裂紋縫隙較大，裂紋上有次生小裂紋，尾端較細，裂紋內充有氧化物，裂紋兩側均無脫碳現(xiàn)象。試樣基體組織為回火索氏體，裂紋兩側組織無特異之處，工件內孔表面局部存在脫碳現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)過燒及其他破壞金屬連續(xù)性的組織缺陷，如圖3所示。

（4）對比試驗 對工件裂紋批次原材料與鍛件進行低倍檢驗和金相檢驗，低倍檢驗結果均為：低倍組織正常，未發(fā)現(xiàn)其他破壞金屬連續(xù)性的低倍缺陷。金相檢驗結果均為：珠光體+鐵素體，未發(fā)現(xiàn)過燒及其他破壞金屬連續(xù)性的組織缺陷。

3 分析與討論

3.1 淬火冷卻介質

（1）介質密度 工藝要求采用飽和三硝水溶液（NaNO325%+KNO320%+NaNO220%+H2O35%）作為淬火冷卻介質，密度要求1.30～1.50g/cm3，檢測實際密度1.40g/cm3，符合工藝要求。

（2）介質溫度 工藝要求淬火冷卻介質使用溫度為20～50℃，下殼體熱處理生產日期為2019年5月3-31日（2018年該產品生產時間為8-9月），期間南陽市南召縣每天最低氣溫均不高于20℃，且我公司生產廠區(qū)處于山區(qū)，氣溫相比城市低3～5℃，該淬火水槽無配備加熱裝置，因此淬火冷卻介質在5月份其中的26天內，每天初次使用時不加熱的情況下最低使用溫度20℃無法保證。

圖3 裂紋處金相組織

3.2 過程記錄

檢查車間生產記錄，淬火加熱104爐，每爐裝6個淬火筐，每筐裝下殼體40件，淬火共處理25 440件；回火加熱58爐，每爐裝12個淬火筐，每筐裝下殼體40件，回火共處理27 840件。25 440件淬火處理的工件淬火冷卻后均能查到在2h內回火處理的記錄，但淬火與回火處理的工件總數(shù)不同且均與2019年產品下殼體熱處理的總數(shù)量29 823件均有部分出入。據(jù)此可推斷出可能有淬火冷卻后2h未回火處理的工件存在，淬火冷卻介質溫度及密度均無相應記錄。

3.3 機理分析

工件淬火冷卻時，在高溫區(qū)由于心部的冷卻滯后于表面以及相變產物與相變前組織比容的差異，內部產生熱應力和組織應力。在冷卻過程中如果兩種應力的疊加超過材料的屈服強度，就會發(fā)生塑性變形，結果就是工件的形狀和尺寸變化[1]。低溫區(qū)冷卻后，材料的屈服強度很高，塑性顯著降低，未被塑性變形松弛的應力就會在金屬內部保留下來，形成殘余應力。當兩種應力疊加的殘余應力超過材料的抗拉強度，就會在工件表面或表層下形成裂紋或發(fā)生開裂。水基淬火冷卻介質溫度越低，冷卻速度就越大，工件冷卻后殘余應力增大，產生裂紋的幾率增加[2]。

有許多工件的開裂并不是在淬火冷卻后立即出現(xiàn)的，而是當工件從淬火冷卻介質中取出經過一定的時間以后才顯現(xiàn)出來，這種裂紋為時效裂紋，表現(xiàn)形式仍為淬火裂紋，時效裂紋同樣是較大的淬火應力所引起。工件淬火后如及時回火可有效降低淬火應力，防止裂紋的產生[3]。

3.4 結論

1）下殼體裂紋是淬火裂紋。

2）淬火冷卻介質達不到最低使用溫度20℃直接進行淬火冷卻，是工件產生裂紋的主要原因，且存在淬火后未及時回火的可能性。

4 預防措施

1）淬火水槽增加升降溫裝置，每次淬火前測量淬火冷卻介質密度、溫度，確保淬火冷卻介質滿足工藝要求。

2）對下殼體毛坯機加工前增加一道超聲波檢測工序。

3）加強過程控制、質量控制，要求操作人員嚴格執(zhí)行工藝，增加工藝記錄的項目（介質密度、介質溫度、合格數(shù)、返修數(shù)、廢品數(shù)等）。

4）加強操作者及檢驗人員質量意識培訓，生產過程中當產品質量出現(xiàn)異常情況時要及時反饋到車間、技術及質量部門，以便相應部門做出對應的處理措施，可預防批量缺陷問題產品的出現(xiàn)。

5）舉一反三，該產品上殼體與下殼體采用同一熱處理工藝，為保證產品質量，決定對上殼體毛坯在機加工前也增加一道超聲波檢測工序，加強過程控制、質量控制，嚴格執(zhí)行工藝。