摘 要:在對經調質處理的40Cr鋼承重連接桿進行精加工時,發現其外表面發生橫向開裂。采 用宏觀觀察、化學成分分析、氣體分析、金相檢驗及硬度測試等方法分析了該連接桿開裂的原因。 結果表明:該連接桿開裂的原因是熱處理工藝不當,導致組織未被淬透;在零件內槽變形處的加工 精度不足,產生了應力集中,導致弧形裂紋延伸至表面。采用調整淬火工藝參數、將冷卻介質改為 水基淬火液、優化工件車削精度、將過渡區域改為圓角等方法可以提高產品的合格率。

關鍵詞:40Cr鋼;承重連接桿;橫向開裂;淬火裂紋

中圖分類號:TB31;TG115.7 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)07-0051-04

40Cr鋼常用于制作承重連接桿、轉向節等中碳 結構鋼零部件,其質量對產品使用的安全至關重 要[1]。40Cr鋼的熱處理方式為加工后直接淬火,對 熱軋圓鋼進行調質處理可以節約能源、降低成本、提 高材料的力學性能[2]。40Cr鋼的淬透性較差,其淬 火介質選用不當易使材料出現淬火畸變、開裂傾向 增大、原奧氏體晶粒粗大、晶粒尺寸不均勻等問 題[3-4]。

某制造廠選用直徑為120mm 的熱軋40Cr圓 鋼,將其加工成直徑為115mm、高度為58mm、內 徑為90mm、深度為13mm 的摩天輪承重連接桿。 該承重連接桿的加工工藝流程為:原材料→下料→ 粗車→調質→精加工→檢驗→入庫。在精加工時, 發現該承重連接桿表面出現裂紋。筆者采用宏觀觀 察、化學成分分析、氣體分析、金相檢驗及硬度測試 等方法對裂紋產生的原因進行了分析,并提出了改 進措施,以避免該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

采用物質的量濃度為5.0mol/L的鹽酸水溶液 對開裂連接桿進行清洗,然后對其進行宏觀觀察,結果如圖1所示。由圖1可知:外表面裂紋近似平行 于圓周方向,長度約為110mm;臺階側面車痕明 顯,底面臺階處可見整圈小鋸齒狀裂紋;沿裂紋處人 工打開,發現試樣的裂紋源由臺階內側向外表面擴 展,裂縫寬度逐漸由粗變細,左側靠近內部位置存在 嚴重的銹蝕現象。

1.2 化學成分分析

在開裂連接桿上取樣,采用直讀光譜儀對試樣 進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知: 該連接桿的化學成分滿足GB/T3077—2015《合金 結構鋼》對40Cr鋼的要求。

1.3 氣體分析

利用氧氮氫聯測儀對該連接桿進行氣體分析, 結果表明:經精煉后,鋼水中氧氣的質量分數為 0.00002%,氫氣的質量分數為0.0000015%;熱軋 圓鋼中氧氣的質量分數為0.000016%,氫氣的質量 分數為0.00000005%。氣體分析結果表明,該連 接桿的氣體含量均低于產品的技術要求。

1.4 金相檢驗

在開裂連接桿的截面處取樣,將試樣研磨、拋光 后,用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液對其進行腐 蝕,再將其置于光學顯微鏡下觀察,試樣的微觀形貌 如圖2所示。由圖2可知:橫向裂紋附近的組織為回火索氏體+細珠光體+鐵素體;試樣近表面處的 組織為回火索氏體+少量的鐵素體,內部裂紋處的 組織與近表面處的組織存在明顯差異;縱向裂紋較 長,且延伸至外表面,裂紋尖端較細,裂紋兩側無脫 碳,可見氧化物。

1.5 非金屬夾雜物評定

在裂紋附近取樣,將試樣磨制、拋光后進行非金 屬夾雜物評定,結果如表2所示,可見其 A、B、C、D 類細系均低于1.0級,粗系為0級,大顆粒夾雜 Ds 類低于1.5級,滿足標準要求。

1.6 硬度測試

采用全自動硬度計對開裂連接桿進行硬度測 試。鑒于試樣裂紋附近的組織與近表面處的組織存 在明顯差異,故對該試樣裂紋以上的位置進行硬度 測試,結果如表3所示。由表3可知:靠近裂紋區域 的硬度為22.2~24.6HRC,平均值為23.8HRC;外 表面附近的硬度為 29.9~30.7 HRC,平均值為 30.2HRC,裂紋處和外表面處的硬度相差較大。說 明該連接桿的淬透性較差,造成其硬度不均勻[5]。

2 綜合分析

弧形裂紋是一種淬火裂紋,裂紋源自零件的內 部、棱角、截面突變處、凹槽等局部區域[6-7],常發生 在未淬透或滲碳淬火的零件中。零件表面經淬火處 理后,在硬化與非硬化區間會出現較大的切應力或 軸向拉應力,造成過渡區產生裂紋。由宏觀觀察結 果可知,裂紋起始于臺階處內壁底部,并擴展延伸至 零件表面。由化學成分和氣體分析結果可知,零件 的化學成分符合標準要求,氧氣、氫氣等氣體含量符 合產品技術要求,因此可以排除因氧氣含量超標導 致的氣泡缺陷或氫氣含量超標導致的白點缺陷。裂 紋附近的顯微組織為回火索氏體+細珠光體+鐵素 體,高溫奧氏體中析出的鐵素體為欠熱組織,其產生 原因為熱處理時的加熱溫度低于奧氏體的轉變溫 度,淬火時冷卻速率偏低,得到了分解產物細珠光 體,裂紋區呈淬火裂紋的典型特征[8-9];試樣邊緣近 表面處的組織為回火索氏體+少量鐵素體,裂紋處 與近表面處的顯微組織存在明顯差異。由硬度測試結果可知,連接桿內部截面的硬度相差較大,導致熱 處理時淬火開裂傾向增大,原因是截面的厚度不均 勻,淬火冷卻過程中,厚度不同的部位馬氏體轉變不 同,厚度較大的部位發生組織轉變時會引起體積膨 脹,并產生拉應力,使連接處產生應力集中,最終形 成淬火裂紋[10-11]。

綜合上述分析可知,該承重連接桿表面裂紋 的產生原因為熱處理工藝不當導致零件內部的組 織分布不均勻,且連接桿側面車痕明顯,在調質過 程中產生了組織應力和內應力,零件容易沿過渡 區發生開裂,裂紋延伸至表面,最終導致連接桿外 表面發生開裂。

3 改進措施及效果

3.1 改進措施

優化熱處理工藝,適當提高淬火溫度并延長保 溫時間,以獲得更均勻的奧氏體,避免產生鐵素體。 選取合適的淬火液,加快零件的冷卻速率。改進前、 后的熱處理工藝參數如表4所示,改進后,零件得到 了均勻的回火索氏體。

選擇合理的工件設計,減少應力集中。提高熱 處理前工件的加工精度,將臺階變形處的過渡區改 為圓弧角過渡。采用的圓角半徑為8mm,表面粗 糙度為1.6μm。

3.2 改進效果

按上述工藝改進后,車加工過程中并未在連接桿 上發現該類裂紋缺陷。對改進后的連接桿進行金相檢驗,結果如圖3所示,發現試樣近表面處的組織與凹槽 臺階處的組織差異較小,均為均勻的回火索氏體。

4 結論及建議

(1)承重連接桿表面裂紋產生的原因是熱處理 工藝不當,淬火溫度較低,導致零件未被淬透,且零 件外表面的加工車痕明顯,使尺寸變形處產生了應 力集中,最終導致該連接桿發生開裂。

(2)建議優化熱處理工藝參數,將淬火溫度調 整至865℃,淬火保溫時間延長至180min,冷卻介 質改為水基淬火液,改進后連接桿調質組織均勻。

(3)建議提高熱處理前零件的加工精度,將易 受應力集中的過渡直角區域改為具有一定弧度的圓 角,以避免產生應力集中。

參考文獻:

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:51-54)>