球頭銷裂紋分析

文/ 張軍改·邯鄲峰馳精密制造有限公司，河北省楔橫軋技術創新中心

球頭銷是汽車的安保件，關系到駕乘人員的生命安全，如有缺陷，尤其是裂紋缺陷，將嚴重影響汽車的安全狀態，進而影響人的生命安全，因此嚴格控制球頭銷出現裂紋顯得愈加重要。

我公司生產的40Cr材質球頭銷楔橫軋件，毛坯圖如圖1所示，外委調質時發現批量裂紋，更換調質廠家仍有批量裂紋出現(圖2)，經過大量分析驗證，找到了裂紋原因。

圖1 球頭銷毛坯圖

圖2 球頭銷調質后表面裂紋

問題描述

我公司生產的40Cr球頭銷楔橫軋件，其工藝流程為：原料鋸切→坯料中頻加熱→楔橫軋制→正火→成品鋸切→平頭打孔→外委調質→標識發貨。調質要求表面硬度28HRC～32HRC，心部硬度不小于25HRC，金相組織要求回火索氏體不大于4級。取樣部位如圖3所示，表面硬度為將斜桿車光后，在外圓面打硬度；心部硬度及金相為將球頭銷沿球頭和斜桿交界的脖子部位橫向切開，在球頭橫斷面上打心部硬度，做金相。

圖3 取樣位置

該產品調質工序為委外處理，先后有3個調質廠家對我公司的產品進行了調質處理。第一家(簡稱：廠家1)為連續網帶式調質爐，淬火液冷卻；第二家(簡稱：廠家2)為半連續網帶式調質爐，即淬火和冷卻是連續的，淬火液冷卻，回火爐為推桿式電加熱爐；第三家(簡稱：廠家3)為連續網帶式調質爐，淬火液冷卻。

廠家1：調質批次10批，前9批未發現裂紋產品，最后一批在取樣檢驗時，共計取樣5件，發現2件裂紋，后對其調質件全部探傷，約有7%左右的裂紋產品。

廠家2：由于是新更換的調質廠，從樣件開始試驗，然后小批量生產，最后批量生產，對其調質的所有產品磁粉探傷，裂紋率在10%左右。

廠家3：廠家1、廠家2出現裂紋無法解決后，找到第三家調質廠，該廠自供貨至今已3個多月，未出現裂紋產品。

問題排查

調查了解

⑴廠家1使用連續式網帶爐進行調質，在最后一批調質時，出現了裂紋，與其溝通得知，調質件一直存在金相不是很理想，心部存在鐵素體，硬度還偏下限等問題，為了提高硬度，減少金相組織中的未溶鐵素體，將加熱溫度由850℃提高到了860℃，其他工藝未變。

⑵廠家2使用半連續網帶爐，淬火和冷卻是連續的，淬火產品達到一定數量時，再在推桿爐中回火處理。經了解：1)該廠調質時，球頭銷和其他產品使用同樣工藝；2)堆放，見圖4(a)，可能造成溫度不均勻；3)元旦前后環境溫度急劇下降，在零下幾度，但未調整工藝；4)由于是非連續式調質爐，淬火后，不能及時回火。

⑶廠家3使用連續網帶爐，冷卻方式和廠家1、廠家2相同，只是回火爐出口加裝了水冷裝置，且單層整齊碼放，見圖4(b)。

圖4 碼放方式

試驗驗證

⑴分別對等溫正火和余溫正火產品進行調質試驗，結果無太大區別。

⑵廠家1和廠家2：先對楔橫軋后未調質的產品進行磁粉探傷，將有疑似裂紋(一般是模具輥縫造成的壓痕或模具刻痕造成的刻痕印，見圖5(a))和無任何缺陷的兩組產品進行標識，并同時進行調質處理，調質后發現，調質前無裂紋的產品，發現了裂紋，而調質前有疑似裂紋的產品，多數調質后未發現裂紋，個別出現裂紋的位置也未在輥縫印等疑似裂紋處，見圖5(b)。

圖5 調質前、后裂紋及位置對比

⑶廠家2單層碼放并及時回火，調質件未產生裂紋，金相組織和硬度均合格。

⑷廠家3對未經過磁粉探傷的、和廠家1、廠家2相同狀態的楔橫軋件進行調質，未發現裂紋產品。

自查自檢

⑴廠家1。

1)對比所有調質件的金相和硬度記錄，發現最后一批調質的帶裂紋的產品硬度普遍較高，心部硬度均超過30HRC，而前期無裂紋的產品心部硬度基本都在30HRC以下。且從金相硬度看，心部已淬透。

2)裂紋分析。抽取有裂紋的產品2件，在球頭脖子附近沿垂直裂紋方向橫向剖開，如圖6，裂紋宏觀形貌見圖7(a)，裂紋放大宏觀形貌見圖7(b)；用金相砂紙磨后，在100倍顯微鏡下觀看，裂紋頭部和尾部形貌見圖8(a)、圖8(b)，裂紋呈鋸齒狀，尾部尖細向內延伸，裂紋處無氧化脫碳；再用4%硝酸酒精腐蝕后，基體組織為回火索氏體，如圖9所示。

圖6 表面裂紋宏觀形貌

圖7 橫斷面裂紋形態

圖8 100倍顯微鏡下裂紋頭部和尾部形貌

圖9 裂紋周圍顯微組織(500×)

⑵廠家2 。

1)廠家2硬度比廠家1明顯提高，抽取5件產品，90%以上的點硬度在33.8～38.3 HRC，嚴重超過32HRC的標準。

2)裂紋分析。用與廠家1相同的取樣方式和評價方式對廠家2裂紋產品進行檢驗，結果與廠家1基本相同。

外委檢驗

分別找有資質的單位對廠家1和廠家2的裂紋進行分析，結果均認為是淬火裂紋。

影響因素與驗證

裂紋影響因素

⑴原材料。如果原材料存在裂紋或折皮，在楔橫軋制時，可擴大缺陷，使軋件表面出現螺旋狀裂紋，進而可能導致調質裂紋。

⑵楔橫軋。可能導致楔橫軋裂紋或疑似裂紋的因素有：1)原材料裂紋導致楔橫軋裂紋；2)模具刻痕導致楔橫軋件上出現疑似裂紋的刻痕；3)模具輥縫大可能會導致楔橫軋件上出現疑似裂紋刻痕；4)楔橫軋件軋制時，為了冷卻模具，冷卻水流過大，沖到件上，也可能會造成裂紋；5)為了快速檢驗楔橫軋件，將楔橫軋件放入冷水中冷卻，可能會造成沾水裂紋。

⑶調質。造成調質裂紋的因素有：1)原材料裂紋導致調質裂紋；2)軋件本身裂紋導致的調質裂紋：3)調質工藝不當引起的裂紋(如：加熱溫度過高，冷卻液溫度低，冷卻液濃度不合適等)；4)淬火后未及時回火導致的裂紋。

試驗驗證

⑴原材料。我們對原材料進行了跟蹤，未發現原材料表面裂紋、折皮等缺陷，也未見到軋件表面存在因原材料造成的裂紋。

⑵軋件。1)未發現原材料引起的裂紋；2)對有模具刻痕的產品進行標識，跟蹤調質，未發現刻痕處有調質裂紋；3)對存在輥縫印刻痕的產品進行標識，跟蹤調質，裂紋與輥縫印未重合；4)跟蹤冷卻水冷卻時是否會造成軋件裂紋，結果未發現軋件有裂紋；5)我公司曾出現過沾水裂紋，對此進行了水溫和入水件溫度控制，之后，未發現沾水裂紋。

⑶調質：1)對存在模具刻痕和模具輥縫印刻痕的軋件進行標識，并跟蹤調質，未發現在缺陷處的裂紋；2)對無任何缺陷的產品標識跟蹤調質，有裂紋產生；3)廠家2調整碼放方式和加熱溫度以及冷卻液溫度并及時回火后，無裂紋產生；4)對調質后有裂紋的產品進行切檢分析，裂紋沿晶分布，筆直剛勁，周圍無氧化脫碳，是應力裂紋；5)外委有資質的廠家檢驗結果認為是淬火裂紋。

結論

球頭銷產生的裂紋排除原材料裂紋和楔橫軋裂紋因素，是調質工藝不當或未及時回火造成的裂紋。由以上試驗驗證可以看出：

⑴無原材料裂紋。

⑵軋件上可能會有因模具造成的各種疑似裂紋的刻痕，但通過跟蹤調質，未產生裂紋，說明軋件上的刻痕不會造成調質裂紋。

⑶沾水件。沾水件雖然有產生裂紋的風險，但已經對其進行了嚴格控制，入水溫度和水溫都確保在要求范圍內，即便有個別未按工藝控制的，也對沾水件進行了全檢，裂紋產品全部挑出，未流到調質工序。

⑷軋件上沒有裂紋時，調質產生了裂紋，且裂紋均未在軋件缺陷(刻痕)上，說明裂紋不是因為軋件疑似裂紋導致的，應該是調質本身產生的裂紋。

⑸廠家1。前面批次一直未產生調質裂紋，最后一批出現裂紋，軋制工藝未改變，但與供方交流，調質更改了加熱溫度，推斷是調質工藝造成了裂紋，且最后一批硬度偏高。

⑹廠家2。調質硬度遠超過標準，并在天氣發生變化，溫度急劇降低時，未調整工藝，認為是調質工藝導致的裂紋。另外，廠家2是非連續式調質爐，未能及時回火，也可能造成裂紋產生。

⑺廠家3。廠家3調質的工件狀態和廠家1及廠家2完全相同，但廠家3未發現裂紋。