摘 要:在對經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的40Cr鋼承重連接桿進(jìn)行精加工時,發(fā)現(xiàn)其外表面發(fā)生橫向開裂。采 用宏觀觀察、化學(xué)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(jié)果表明:該連接桿開裂的原因是熱處理工藝不當(dāng),導(dǎo)致組織未被淬透;在零件內(nèi)槽變形處的加工 精度不足,產(chǎn)生了應(yīng)力集中,導(dǎo)致弧形裂紋延伸至表面。采用調(diào)整淬火工藝參數(shù)、將冷卻介質(zhì)改為 水基淬火液、優(yōu)化工件車削精度、將過渡區(qū)域改為圓角等方法可以提高產(chǎn)品的合格率。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)向節(jié)等中碳 結(jié)構(gòu)鋼零部件,其質(zhì)量對產(chǎn)品使用的安全至關(guān)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理可以節(jié)約能源、降低成本、提 高材料的力學(xué)性能[2]。40Cr鋼的淬透性較差,其淬 火介質(zhì)選用不當(dāng)易使材料出現(xiàn)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(nèi) 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(diào)質(zhì)→精加工→檢驗→入庫。在精加工時, 發(fā)現(xiàn)該承重連接桿表面出現(xiàn)裂紋。筆者采用宏觀觀 察、化學(xué)成分分析、氣體分析、金相檢驗及硬度測試 等方法對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,并提出了改 進(jìn)措施,以避免該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

采用物質(zhì)的量濃度為5.0mol/L的鹽酸水溶液 對開裂連接桿進(jìn)行清洗,然后對其進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)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(cè)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(fā)現(xiàn)試樣的裂紋源由臺階內(nèi)側(cè)向外表面擴(kuò) 展,裂縫寬度逐漸由粗變細(xì),左側(cè)靠近內(nèi)部位置存在 嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象。

1.2 化學(xué)成分分析

在開裂連接桿上取樣,采用直讀光譜儀對試樣 進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知: 該連接桿的化學(xué)成分滿足GB/T3077—2015《合金 結(jié)構(gòu)鋼》對40Cr鋼的要求。

1.3 氣體分析

利用氧氮?dú)渎?lián)測儀對該連接桿進(jìn)行氣體分析, 結(jié)果表明:經(jīng)精煉后,鋼水中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.00002%,氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0000015%;熱軋 圓鋼中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000016%,氫氣的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為0.00000005%。氣體分析結(jié)果表明,該連 接桿的氣體含量均低于產(chǎn)品的技術(shù)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?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液對其進(jìn)行腐 蝕,再將其置于光學(xué)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(xì)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(nèi)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(xì),裂紋兩側(cè)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(jìn)行非金 屬夾雜物評定,結(jié)果如表2所示,可見其 A、B、C、D 類細(xì)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(biāo)準(zhǔn)要求。

1.6 硬度測試

采用全自動硬度計對開裂連接桿進(jìn)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(jìn)行硬度 測試,結(jié)果如表3所示。由表3可知:靠近裂紋區(qū)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(nèi) 部、棱角、截面突變處、凹槽等局部區(qū)域[6-7],常發(fā)生 在未淬透或滲碳淬火的零件中。零件表面經(jīng)淬火處 理后,在硬化與非硬化區(qū)間會出現(xiàn)較大的切應(yīng)力或 軸向拉應(yīng)力,造成過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋。由宏觀觀察結(jié) 果可知,裂紋起始于臺階處內(nèi)壁底部,并擴(kuò)展延伸至 零件表面。由化學(xué)成分和氣體分析結(jié)果可知,零件 的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求,氧氣、氫氣等氣體含量符 合產(chǎn)品技術(shù)要求,因此可以排除因氧氣含量超標(biāo)導(dǎo) 致的氣泡缺陷或氫氣含量超標(biāo)導(dǎo)致的白點(diǎn)缺陷。裂 紋附近的顯微組織為回火索氏體+細(xì)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(chǎn)生 原因為熱處理時的加熱溫度低于奧氏體的轉(zhuǎn)變溫 度,淬火時冷卻速率偏低,得到了分解產(chǎn)物細(xì)珠光 體,裂紋區(qū)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(jié)果可知,連接桿內(nèi)部截面的硬度相差較大,導(dǎo)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(zhuǎn)變不 同,厚度較大的部位發(fā)生組織轉(zhuǎn)變時會引起體積膨 脹,并產(chǎn)生拉應(yīng)力,使連接處產(chǎn)生應(yīng)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(chǎn)生原因為熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致零件內(nèi)部的組 織分布不均勻,且連接桿側(cè)面車痕明顯,在調(diào)質(zhì)過 程中產(chǎn)生了組織應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力,零件容易沿過渡 區(qū)發(fā)生開裂,裂紋延伸至表面,最終導(dǎo)致連接桿外 表面發(fā)生開裂。

3 改進(jìn)措施及效果

3.1 改進(jìn)措施

優(yōu)化熱處理工藝,適當(dāng)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(chǎn)生鐵素體。 選取合適的淬火液,加快零件的冷卻速率。改進(jìn)前、 后的熱處理工藝參數(shù)如表4所示,改進(jìn)后,零件得到 了均勻的回火索氏體。

選擇合理的工件設(shè)計,減少應(yīng)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(qū)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(jìn)效果

按上述工藝改進(jìn)后,車加工過程中并未在連接桿 上發(fā)現(xiàn)該類裂紋缺陷。對改進(jìn)后的連接桿進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖3所示,發(fā)現(xiàn)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(jié)論及建議

(1)承重連接桿表面裂紋產(chǎn)生的原因是熱處理 工藝不當(dāng),淬火溫度較低,導(dǎo)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(chǎn)生了應(yīng) 力集中,最終導(dǎo)致該連接桿發(fā)生開裂。

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

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

參考文獻(xiàn):

[1] 李海明.40Cr鋼汽車半軸斷裂原因分析[J].理化檢 驗(物理分冊),2016,52(8):589-593.

[2] 朱騰,鄭明玉,陳國強(qiáng),等.40Cr鋼汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造余 熱淬火的研究[J].熱處理,2017,32(6):22-25.

[3] 祁斌,周文華,范志君,等.40Cr鋼轉(zhuǎn)向節(jié)軸部直徑對 其淬火態(tài)組織和硬度的影響[J].上海金屬,2022,44 (1):8-11.

[4] 姜金星,寧勤恒,董俊媛,等.NM450耐磨鋼板開裂原 因分析[J].上海金屬,2019,41(4):63-66.

[5] 李亞欣,劉雅政,趙金鋒,等.P110級石油套管淬火裂 紋分析[J].金屬熱處理,2010,35(5):88-92.

[6] 王忠誠.熱處理常見缺陷分析與解決方案[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2021.

[7] 汪春梅.40Cr熱軋圓鋼剪切開裂原因分析及改進(jìn)工 藝[J].特殊鋼,2021,42(3):52-56.

[8] 肖乾發(fā),梁霄鵬,姚春臣,等.30CrMnSi鋼筒形件旋壓 開裂的原因及改進(jìn)措施[J].理化檢驗(物理分冊), 2021,57(11):75-78.

[9] 陳亮,徐浩杰,劉麗,等.4340鋼齒輪斷齒原因[J].理 化檢驗(物理分冊),2022,58(5):34-39.

[10] 劉宗昌.淬火開裂及防止方法[J].熱處理,2010,25 (3):72-79.

[11] 歐雪雁.40Cr鋼汽車轉(zhuǎn)向彎臂斷裂原因[J].理化檢 驗(物理分冊),2021,57(9):59-63.

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