控制熱擠壓缺陷的難點與對策

裴騰鵬，李麗芳，葛林靜，蔡海濤

我公司是國內(nèi)規(guī)模最大的汽車軸頭生產(chǎn)企業(yè)之一，軸頭用于重型載貨汽車后橋兩端支承，工作環(huán)境復(fù)雜，既要考慮載重和瞬間沖擊影響，又要承受復(fù)雜的交變應(yīng)力與疲勞循環(huán)應(yīng)力的交變作用，屬I類安全件。

軸頭產(chǎn)品通常要經(jīng)過下料→熱擠壓→粗機加→熱處理→精加工四個主要生產(chǎn)過程。在20余年的加工歷史中，熱擠壓既是我們核心技術(shù)，同時也是質(zhì)量控制的難點。根據(jù)質(zhì)量管理體系要求，我們把熱擠壓工序定義為特殊過程，并對這個過程及時展開缺陷分析與對策方案解決工作，下面結(jié)合軸頭熱擠壓時產(chǎn)生的缺陷實例進行分析，并提出有效的解決方案。

軸頭在熱擠壓生產(chǎn)過程中的缺陷主要有：晶粒粗大、折疊、環(huán)裂等，因不易直接檢測被發(fā)現(xiàn)，所以成為質(zhì)量控制難點。

在這里特指晶粒度5級以下（按GB/T6394測定）。我公司對軸頭的晶粒度一直按5~8級控制，其與坯料加熱溫度及時間有直接關(guān)系，熱擠壓工藝要求加熱溫度和時間隨軸頭毛坯的重量（7~47kg）及材質(zhì)而定，溫度控制范圍在1100~1200℃，時間為50~140s。

（1）晶粒度超標(biāo)（1~4級） 晶粒度4級。

危害：根據(jù)我廠多年實踐驗證，4級晶粒度直接決定著后續(xù)的熱處理質(zhì)量，因晶粒粗大，淬火時形成的淬火馬氏體晶間存在著明顯的顯微裂縫，可能會導(dǎo)致淬火開裂，即使無裂紋，對調(diào)質(zhì)后軸頭力學(xué)性能也有著決定性影響，粗大的晶?？赡軙档洼S頭的抗拉強度及屈強比，沖擊值也將大幅下降，一般KU2＜40J/cm2，若裝配使用，汽車通過起伏不平的路面時，可能會在瞬間發(fā)生“脆斷”。

對策：控制加熱時間及溫度，增加溫控時間繼電器及超溫報警裝置。晶粒粗大是由于熱擠壓加熱溫度過高或保溫時間過長造成的，通過增加正火工序可起到細化晶粒的作用，通過再次高倍檢測，當(dāng)晶粒度達到5級以上，可轉(zhuǎn)入下道工序。

晶粒度1~3級，如圖1所示。危害及對策：此時工件內(nèi)部晶粒晶界上可能已出現(xiàn)局部熔化和氧化現(xiàn)象，軸頭毛坯外觀或已出現(xiàn)撕裂狀，只能做報廢處理。

（2）折疊 折疊是金屬變形過程中已氧化過的表層金屬匯合到一起而形成的。就軸頭產(chǎn)品來說，熱擠壓后折疊的形狀與裂紋相似，多發(fā)生在內(nèi)孔，其是在熱擠壓時由上下兩股金屬對流匯合而形成的，嚴(yán)重時可貫通于整個壁厚，如圖2所示。

圖 1 500×

圖 2

危害：通過低倍組織檢查，可以發(fā)現(xiàn)從軸頭內(nèi)表面到內(nèi)部折疊構(gòu)成一條明顯的隆起線，我們可稱之為折紋，從表面到折紋結(jié)束的距離即折紋的長度稱為折疊深度。

折疊對軸頭的后續(xù)加工與內(nèi)在質(zhì)量都有嚴(yán)重影響，首先折疊在后續(xù)熱處理淬火時易造成延伸以致貫通開裂，如圖3所示。其次折疊深度＜1mm時，不易在隨后探傷工序中發(fā)現(xiàn)，若裝配使用后會形成應(yīng)力集中，形成疲勞源，在疲勞循環(huán)應(yīng)力的交變作用下最終導(dǎo)致開裂。

微觀形態(tài)與判定方法。斷口分析，在金相顯微鏡上觀察可知，如圖4所示。裂紋順著流線且有脫碳，說明是熱擠壓時形成的折疊。

流線之間有脫碳，且已形成內(nèi)裂紋。流線與裂紋方向一致，裂紋完全沒有切割流線。表明裂紋是折疊性質(zhì)（見圖5）。

對策：折疊多發(fā)生在軸頭法蘭成形工序，部位在軸頭中部，此處正是熱沖壓時上下兩股金屬流匯合處，這是由于模具調(diào)整不合適及潤滑不夠，或熱擠壓工序間變形量選擇不當(dāng)造成的。根據(jù)經(jīng)驗，小于10k g且壁厚＜15mm軸頭毛坯易發(fā)生此種現(xiàn)象，所以對此我們有以下對策：①模具試生產(chǎn)時，首件必須做低倍折疊檢驗（流線檢查），每件必須內(nèi)外觀檢查，流線檢查不合格必須增加熱沖壓工序，減少工序間變形量。②對坯料進行外觀檢驗，去除毛刺、飛邊等到缺陷。③在石墨乳潤滑劑中加入10%~15%的油酸，加強潤滑效果。

（3）環(huán)形裂紋 軸頭坯料在熱沖壓時，由于坯料加熱不當(dāng)或坯料熱擠壓時，在外力作用下，變形過程中局部或整體被沖壓撕裂的現(xiàn)象，表征為環(huán)形，多出現(xiàn)在內(nèi)孔（見圖6）。

危害：環(huán)形裂紋對軸頭質(zhì)量影響同折疊缺陷相似，同樣體現(xiàn)在熱處理工序。且＜1mm深度的裂紋不易發(fā)現(xiàn)，在使用中由于交變載荷作用，該缺陷會逐步擴大，使軸頭有效載荷面積不斷縮小，最終形成失效斷裂。但環(huán)形裂紋若被及時發(fā)現(xiàn)，通過機加手段消除，可滿足后續(xù)工序要求，這也是其與折疊的顯著差別。

微觀形態(tài)與判定方法。在金相顯微鏡上觀察可知：從內(nèi)孔邊緣0.9mm處開始一直到向外徑方向延伸的5mm深度范圍內(nèi)，均有塊狀及條狀氧化物夾雜的分布，并可見連續(xù)分布的長條狀全脫碳（見圖7）。這些氧化物夾雜是在熱擠壓過程中形成的缺陷（見圖8）。

對策：軸頭熱擠壓時的環(huán)形裂紋多發(fā)生在沖孔工序，部位在法蘭下部，產(chǎn)生的原因為模具調(diào)整不當(dāng)，坯料懸空，沖孔工序形成了正擠壓，就會形成環(huán)形裂紋。或者坯料加熱時加熱速度過快，造成內(nèi)、外加熱不均勻。具體為：①控制加熱時間及溫度，增加溫控時間繼電器及超溫報警裝置。②將沖孔模具工作尺寸適當(dāng)擴大，保證坯料與模具下支承容易接觸。③通過以上對軸頭熱擠壓工序產(chǎn)生缺陷的分析和解決對策方案的實施，可有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 后序熱處理時開裂

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圖6 內(nèi)孔已有先期裂紋且被氧化

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圖8 500×