導(dǎo)向臂生產(chǎn)熱處理過(guò)程產(chǎn)生裂紋的原因分析

姜 超，朱 雷，楊東歐，楊尚堃，郝文權(quán)

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266000）

1 前言

導(dǎo)向臂產(chǎn)品為國(guó)內(nèi)近幾年涌現(xiàn)出來(lái)的新產(chǎn)品，之前均為鍛造或國(guó)外采購(gòu)。現(xiàn)有很多板簧生產(chǎn)廠家參照板簧生產(chǎn)工藝摸索導(dǎo)向臂生產(chǎn)工藝。目前導(dǎo)向臂使用鋼材主要為CrV系列，CrV系列彈簧鋼也是目前國(guó)內(nèi)使用量較大的彈簧鋼，具有性能優(yōu)異、淬透性強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)向臂規(guī)格一般較大，為保證淬火處理后心部馬氏體比例達(dá)到90%以上，除材料有一定的含碳量外，還要加入一定量的合金元素提高材料的淬透性，才可滿足材料性能要求。然而隨著含碳量的提高和某些合金元素的加入，都將增加淬火裂紋的敏感性［1］。

熱處理件上產(chǎn)生的裂紋以淬火裂紋為主，產(chǎn)生原因有很多種。由于產(chǎn)生的原因和解決辦法各不相同，因此弄清淬火裂紋的原因非常重要［2］。要弄清楚淬火裂紋產(chǎn)生原因，必須對(duì)材料成分、材料組織、材料硬度、裂紋的部位、裂紋的形狀、裂紋產(chǎn)生時(shí)間等進(jìn)行詳細(xì)研究。淬火裂紋的發(fā)生時(shí)間并非發(fā)生在淬入冷卻劑后的那一刻，而是在冷卻到200℃以下時(shí)，或在淬火完成從冷卻劑中取出之后，或者是在淬火后經(jīng)過(guò)幾小時(shí)乃至幾十小時(shí)后發(fā)生的［3］。

2 導(dǎo)向臂生產(chǎn)工藝及裂紋產(chǎn)生機(jī)理

2.1 導(dǎo)向臂生產(chǎn)工藝路線

導(dǎo)向臂生產(chǎn)工藝與板簧生產(chǎn)工藝類(lèi)似，生產(chǎn)工藝:帶鋸鋸床鋸切下料→中頻電磁感應(yīng)加熱爐加熱→變截面軋制→卷耳→銑床銑邊→沖床沖孔→步進(jìn)式天然氣加熱高溫淬火加熱→熱壓變形→淬火油冷卻→步進(jìn)式天然氣爐中溫回火加熱→水淋冷卻→表面拋丸→電泳噴漆。

裂紋產(chǎn)生必有力的參與，分析生產(chǎn)工藝路線，導(dǎo)向臂裂紋最可能在熱處理階段產(chǎn)生。

2.2 熱處理應(yīng)力及淬火裂紋特征

熱處理應(yīng)力主要分為組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。熱處理應(yīng)力多變且比較復(fù)雜，是導(dǎo)致熱處理金屬零件變形及開(kāi)裂的主要原因。在熱處理過(guò)程中，由于冷卻、加熱和相變等過(guò)程中的不均勻性及不等時(shí)性，在熱處理金屬零件內(nèi)部導(dǎo)致不同部位金屬間的體積及形狀的變化有較大差異，引起相互間拘束作用，從而在零件各部位產(chǎn)生不用的應(yīng)力場(chǎng)，此為熱處理應(yīng)力［4］。

淬火裂紋沿奧氏體晶界或馬氏體晶界產(chǎn)生，這種裂紋在顯微鏡下總是瘦直的曲線體，線條剛健，裂紋尾巴尖細(xì)，以至逐漸消失。一般說(shuō)淬火裂紋寬度不超過(guò)5～10μm。如果淬火應(yīng)力較大，致使形成粗大裂口，但在粗大裂口兩側(cè)，總是會(huì)發(fā)現(xiàn)若干顯微微裂紋，并且它的尾巴總是細(xì)尖的［5］。

在淬火過(guò)程中，當(dāng)淬火產(chǎn)生的巨大應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度并超過(guò)塑性變形極限時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始進(jìn)行后不久產(chǎn)生的，裂紋的分布則沒(méi)有一定的規(guī)律，但一般容易在工件的尖角、截面突變處形成。在顯微鏡下觀察到的淬火開(kāi)裂，可能是沿晶開(kāi)裂，也可能是穿晶開(kāi)裂；有的呈放射狀，也有的呈單獨(dú)線條狀或呈網(wǎng)狀。因在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻過(guò)快而引起的淬火裂紋，往往是穿晶分布，而且裂紋較直，周?chē)鷽](méi)有分枝的小裂紋。因淬火加熱溫度過(guò)高而引起的淬火裂紋，都是沿晶分布，裂紋尾端尖細(xì)，并呈現(xiàn)過(guò)熱特征。

3 裂紋產(chǎn)生因素分析

3.1 裂紋產(chǎn)生位置及宏觀形貌

此裂紋產(chǎn)生位置為汽車(chē)導(dǎo)向臂折彎處（見(jiàn)圖1a），產(chǎn)生時(shí)間為入油冷卻后未回火處理之前。垂直于裂紋縱向拋開(kāi)，肉眼可見(jiàn)在導(dǎo)向臂表面裂紋方向呈垂直于長(zhǎng)度方向，并垂直于汽車(chē)導(dǎo)向臂表面向內(nèi)延伸，內(nèi)弧裂紋深度約20 mm。在入油冷卻后發(fā)現(xiàn)材料出現(xiàn)橫向裂紋，裂紋宏觀形貌如圖1b所示。

圖1 裂紋位置及宏觀形貌

3.2 有害元素檢驗(yàn)

材料有害元素檢測(cè)結(jié)果如表1所示，材料中S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點(diǎn)有害元素均滿足DIN EN 10089—2002標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)影響材料性能，導(dǎo)致材料淬火開(kāi)裂。

表1 有害元素檢測(cè)%

3.3 金相組織檢測(cè)

將帶有裂紋汽車(chē)導(dǎo)向臂試樣分成4塊，編號(hào)1、2、3、4（見(jiàn)圖2），并對(duì)試樣金相組織（500×）進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖3～6），對(duì)比金相組織差異性（試樣3帶有裂紋缺陷）。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):1）各個(gè)位置的組織并無(wú)太大差異，推斷并非導(dǎo)向臂在高溫淬火加熱變形后入油冷卻不均勻造成的。2）回火后組織較為粗大，此為淬火加熱溫度高，加熱時(shí)間長(zhǎng)，造成晶粒長(zhǎng)大。鋼材過(guò)熱，奧氏體晶粒將粗大化，淬火時(shí)產(chǎn)生粗針馬氏體，在粗針馬氏體中會(huì)出現(xiàn)橫向裂紋，稱(chēng)馬氏體裂紋。這是因?yàn)槠瑺铖R氏體經(jīng)相互碰遇，便造成碰遇處應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，就形成微觀裂縫［6］。

圖2 金相分析取樣

圖3 試樣1金相組織

圖4 試樣2金相組織

圖5 試樣3金相組織

圖6 試樣4金相組織

3.4 材料硬度檢測(cè)

隨機(jī)檢測(cè)材料10個(gè)位置洛氏硬度，材料硬度正常且硬度均勻性較好，均值45.69 HRC，因此裂紋并非材料淬火加熱后入油冷卻過(guò)快造成。

3.5 裂紋處微觀形貌檢測(cè)

使用金相顯微鏡對(duì)圖2試樣3裂紋處進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7所示。

圖7 裂紋微觀形貌

裂紋形貌呈鋸齒狀，中間開(kāi)口大，內(nèi)部裂紋末端呈針尖狀，近表面裂紋開(kāi)口大于表面，且主裂紋附近存在微小裂紋。表面裂紋附近存在明顯的組織位移流線，此裂紋為淬火裂紋。

在裂紋端部及裂紋兩側(cè)并未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物；裂紋周?chē)鸁o(wú)脫碳層，但存在氧化鐵皮，說(shuō)明材料裂紋并非原材料缺陷導(dǎo)致材料淬火后開(kāi)裂。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上檢驗(yàn)結(jié)果，可排除有害元素較多、淬火加熱后冷卻速度過(guò)快、冷卻不均勻等因素導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。通過(guò)金相觀察并結(jié)合生成過(guò)程，此裂紋為淬火裂紋。鋼件在入油冷卻前需要變形，所受外部應(yīng)力較大，導(dǎo)致表面組織位移并產(chǎn)生殘留拉應(yīng)力在鋼件表面。鋼件入油淬火冷卻，在冷卻初期，未產(chǎn)生相變，表層的溫度梯度比內(nèi)部大，只有熱應(yīng)力；隨著冷卻過(guò)程的進(jìn)行，表層和內(nèi)層的溫差減小，熱應(yīng)力影響小，這時(shí)以組織應(yīng)力為主［7］；表層首先冷卻到Ms點(diǎn)生成馬氏體組織而膨脹，這時(shí)給尚處于奧氏體狀態(tài)的位置以拉應(yīng)力，表現(xiàn)為心部受拉應(yīng)力，表層受壓力。由于奧氏體塑性很好，此應(yīng)力可通過(guò)奧氏體的塑性變形而松弛。當(dāng)心部也轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，由于表層已形成的馬氏體硬度高、脆性大、塑性極小，心部對(duì)表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部產(chǎn)生壓應(yīng)力，并被作為殘余應(yīng)力保存下來(lái)。同時(shí)受到變形殘余應(yīng)力的影響，鋼件近表面殘余拉應(yīng)力超過(guò)鋼的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致工件變形處開(kāi)裂，產(chǎn)生裂紋。