偏心板裂紋原因分析及解決措施

李永梅，任 雁，趙 慧，陳利華，王思濤，鄔曉穎

(北京北方車輛集團有限公司 工藝研究院，北京 100072)

某批偏心板零件在調(diào)質(zhì)熱處理后，發(fā)現(xiàn)零件表面有裂紋。經(jīng)過對同批次零件熱處理生產(chǎn)過程摸底調(diào)查，結(jié)果顯示此批偏心板回火后數(shù)小時內(nèi)裂紋比例達到60%以上，甚至有偏心板在熱處理后幾分鐘即出現(xiàn)開裂，現(xiàn)場可聽見明顯的開裂聲響。偏心板材料為45鋼，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，加工工藝流程為下料→機械加工→熱處理。采用45鋼圓棒材下料，經(jīng)機械加工后進行熱處理，熱處理工藝為820 ℃水淬+430 ℃回火，其技術(shù)要求為熱處理硬度32～42 HRC。本文對偏心板裂紋原因進行了研究分析，經(jīng)過熱處理工藝對比試驗，找到了解決措施，進而解決了偏心板批次性裂紋問題。

圖1 偏心板零件結(jié)構(gòu)

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

為判斷生產(chǎn)現(xiàn)場是否誤用原材料及原材料化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用光譜分析法對有裂紋的偏心板進行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 偏心板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，偏心板材料符合GB 699中45鋼化學(xué)成分技術(shù)要求，原材料使用無誤，其元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

1.2 裂紋宏觀分析

偏心板裂紋宏觀形貌如圖2所示。從裂紋的宏觀形貌來看，偏心板上出現(xiàn)1條或多條裂紋，每條裂紋都起源于內(nèi)孔邊緣，并向零件外圓方向擴展，裂紋的長短和深度不一，甚至有裂紋已經(jīng)穿透整個零件，造成偏心板邊緣錯位而發(fā)生嚴(yán)重變形。偏心板的裂紋特點表現(xiàn)為剛直且深透，為瞬間斷裂所致，符合淬火裂紋的特征[1-2]。

圖2 偏心板裂紋宏觀形貌

1.3 硬度測試

對出現(xiàn)裂紋的偏心板進行洛氏硬度測試，在偏心板有裂紋的一面上劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4個區(qū)域，其中Ⅰ、Ⅱ區(qū)域為出現(xiàn)裂紋的區(qū)域，Ⅲ、Ⅳ區(qū)域基本不會出現(xiàn)裂紋。在4個區(qū)域8處不同的位置(1～8)分別測試洛氏硬度，硬度測試點分布示意圖如圖3所示。

圖3 硬度測試點分布示意圖

偏心板不同位置的洛氏硬度測試結(jié)果見表2，根據(jù)表2中數(shù)值繪制的散點圖如圖4所示。

表2 偏心板不同位置的洛氏硬度

圖4 不同位置點的硬度散點圖

從表2中硬度數(shù)據(jù)值和圖4硬度散點圖來看，偏心板不同位置的硬度均達到設(shè)計要求，硬度值基本趨于中上限，說明零件熱處理淬火、回火工藝參數(shù)的選擇是合理的。從散點圖可以得出，位于區(qū)域I和區(qū)域II內(nèi)的位置1、位置6、位置7的硬度值要稍高于其他區(qū)域的硬度值。區(qū)域I和區(qū)域II是偏心板內(nèi)孔所在的區(qū)域，根據(jù)前人經(jīng)驗該種結(jié)構(gòu)容易造成內(nèi)孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中[3-5]，而應(yīng)力集中將加劇裂紋的擴展[6]。結(jié)合上述裂紋宏觀形貌分析，偏心板的裂紋都是起源于內(nèi)孔處，進一步說明內(nèi)孔周圍應(yīng)力集中促進了裂紋的形成與擴展。

1.4 低倍組織和金相檢驗

對偏心板零件進行酸浸試驗，在100倍光學(xué)顯微鏡下觀察低倍組織，沒有發(fā)現(xiàn)縮孔殘余、氣泡、裂紋、翻皮、夾雜物及白點等原材料組織缺陷。對有裂紋的偏心板解剖制樣，采用金相顯微鏡對非裂紋區(qū)和裂紋區(qū)的微觀特征進行觀察，顯微照片如圖5和圖6所示。圖5顯示偏心板的非裂紋區(qū)金相組織為回火索氏體，金相組織細小均勻，說明偏心板經(jīng)過了充分的淬火組織轉(zhuǎn)化。從圖6裂紋微觀特征來看，裂紋細直，為貫穿式透裂。將裂紋邊緣放大倍數(shù)觀察，裂紋邊緣未見明顯的氧化物和脫碳層，說明淬火加熱前偏心板沒有原始裂紋缺陷，否則在高溫淬火加熱狀態(tài)下，裂紋兩側(cè)勢必會留下被氧化的痕跡[7]，由此判斷裂紋的產(chǎn)生不是原材料本身缺陷所致，而是在淬火冷卻后發(fā)生的。

圖5 偏心板非裂紋區(qū)金相照片

圖6 偏心板裂紋區(qū)微觀特征照片

2 裂紋分析

根據(jù)上述理化檢測分析結(jié)果，偏心板化學(xué)成分符合45鋼化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不存在生產(chǎn)現(xiàn)場誤使用原材料或材料化學(xué)成分不達標(biāo)的問題；其熱處理硬度滿足設(shè)計要求，硬度值基本居于中上限水平，熱處理后的金相組織為均勻回火索氏體組織，顯然基體經(jīng)過了充分的組織轉(zhuǎn)變，說明該零件的熱處理工藝參數(shù)是合理的；另外材料低倍組織無異常現(xiàn)象，裂紋兩側(cè)未見到氧化物和脫碳情況，排除了原材料存在原始裂紋缺陷，進一步說明裂紋是在淬火熱處理后產(chǎn)生的，同時偏心板裂紋形貌呈現(xiàn)剛直而深透的特點，具有典型的淬火裂紋特征。

從偏心板所用材料和熱處理工藝性能來說，偏心板采用45鋼，該材料屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，本身具有很高的淬裂傾向，熱處理過程中容易產(chǎn)生不同程度的淬火裂紋[8-9]。淬火裂紋是碳素鋼材料熱處理中常見的質(zhì)量問題，形成淬火裂紋的原因主要有材料原始裂紋缺陷、熱處理工藝參數(shù)、零件結(jié)構(gòu)形狀及淬火前應(yīng)力狀態(tài)等因素。大量生產(chǎn)實踐表明，零件結(jié)構(gòu)中存在孔洞、棱角、尖角、溝槽或斷面急劇變化的部位，因此這些部位成為應(yīng)力集中的地方，為淬火裂紋產(chǎn)生的危險部位。另一方面在切削加工過程中零件表面晶粒發(fā)生一定的塑性變形引發(fā)畸變，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力[10]，該殘余應(yīng)力往往受到切削量和切削速度的影響，隨著切削速度增加，表面殘余拉應(yīng)力增加，其達到的深度也增加，從而加劇了應(yīng)力集中。

本文中開裂的偏心板在熱處理前進行了板體表面切削加工和制孔加工，從而在孔洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中。該應(yīng)力沒有經(jīng)過消除即進行了淬火加熱，由于偏心板厚度較薄，為防止基體過熱過燒，其淬火透熱時間僅為幾分鐘，該應(yīng)力在短時間高溫狀態(tài)下來不及完全釋放，可與冷卻瞬間馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織應(yīng)力疊加，從而超過材料本身可承受的最大拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致了裂紋在內(nèi)孔處萌生并向外擴展。

3 解決措施

當(dāng)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中無法避開內(nèi)孔、凸臺、溝槽等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中時，應(yīng)在機械加工過程中對過渡部位進行圓弧倒角，并在淬火前消除表面應(yīng)力，否則在淬火冷卻時其表面應(yīng)力與組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力疊加，將會造成淬火裂紋從應(yīng)力集中區(qū)域萌生和擴展。本文中偏心板內(nèi)孔處存在應(yīng)力集中，鑒于該板體較薄，內(nèi)孔尺寸較小，圓弧倒角加工存在一定的困難，因此可通過淬火前消除表面應(yīng)力避免淬火裂紋。本文制定了去除偏心板應(yīng)力的工藝方案。方案1為高溫回火去應(yīng)力，考慮到偏心板厚度較薄不宜長時間加熱的特性，同時制定了方案2，為正火去應(yīng)力。具體方案為：方案1高溫回火去應(yīng)力，偏心板數(shù)量40件，600 ℃加熱20 min，空冷；方案2正火去應(yīng)力，偏心板數(shù)量40件，860 ℃加熱10 min，空冷。偏心板經(jīng)過實施方案1和方案2去除聚集應(yīng)力后，再分別執(zhí)行原來的淬火工藝。

根據(jù)制定的工藝方案開展了工藝性試驗，試驗結(jié)果為方案1高溫回火去應(yīng)力的偏心板在淬火后有3件出現(xiàn)裂紋，其余37件硬度合格無裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量合格率為92.5%；方案2正火去應(yīng)力的偏心板在淬火后全部硬度合格，未有零件出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)品質(zhì)量合格率為100%。這是由于在加熱時間相差不多情況下，正火溫度比高溫回火溫度高200 ℃以上，零件在越高溫度下畸變的晶格越容易回復(fù)到平衡狀態(tài)，則越有利于消除畸變應(yīng)力，從而為后續(xù)淬火提供良好的組織狀態(tài)。

通過去除偏心板淬火前的應(yīng)力，解決了偏心板淬火裂紋問題，同時為類似偏心板內(nèi)孔加工不對稱結(jié)構(gòu)或厚度較薄的45鋼零件的熱處理提供了方案借鑒，對于較薄的板類零件，或存在孔洞、凸臺的零件，其表面很容易存在應(yīng)力集中問題，在其淬火前增加正火去除應(yīng)力，是防止淬火裂紋的有效措施。

4 結(jié)語

通過對偏心板裂紋進行檢測分析和制定實施工藝方案，找到了解決其淬火裂紋的有效措施，得到如下結(jié)論。

1)偏心板的裂紋為淬火后產(chǎn)生，為零件偏心孔附近存在應(yīng)力集中所致。

2)通過去除偏心板表面應(yīng)力可以消除淬火裂紋，相比高溫回火去應(yīng)力，正火去應(yīng)力效果更佳，這是由于在加熱時間相差不多情況下，溫度越高越有利于晶格回復(fù)，從而為后續(xù)淬火提供良好的組織狀態(tài)。

3)對于較薄的板類零件，或存在孔洞、凸臺的零件，其表面很容易存在應(yīng)力集中問題，在其淬火前增加正火去除應(yīng)力，是防止淬火裂紋的有效措施。