偏心板裂紋原因分析及解決措施

李永梅，任 雁，趙 慧，陳利華，王思濤，鄔曉穎

(北京北方車輛集團有限公司 工藝研究院，北京 100072)

某批偏心板零件在調質熱處理后，發現零件表面有裂紋。經過對同批次零件熱處理生產過程摸底調查，結果顯示此批偏心板回火后數小時內裂紋比例達到60%以上，甚至有偏心板在熱處理后幾分鐘即出現開裂，現場可聽見明顯的開裂聲響。偏心板材料為45鋼，零件結構如圖1所示，加工工藝流程為下料→機械加工→熱處理。采用45鋼圓棒材下料，經機械加工后進行熱處理，熱處理工藝為820 ℃水淬+430 ℃回火，其技術要求為熱處理硬度32～42 HRC。本文對偏心板裂紋原因進行了研究分析，經過熱處理工藝對比試驗，找到了解決措施，進而解決了偏心板批次性裂紋問題。

圖1 偏心板零件結構

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

為判斷生產現場是否誤用原材料及原材料化學成分是否符合標準規定，采用光譜分析法對有裂紋的偏心板進行了化學成分分析，結果見表1。

表1 偏心板化學成分(質量分數) (%)

化學成分分析結果表明，偏心板材料符合GB 699中45鋼化學成分技術要求，原材料使用無誤，其元素含量符合標準規定。

1.2 裂紋宏觀分析

偏心板裂紋宏觀形貌如圖2所示。從裂紋的宏觀形貌來看，偏心板上出現1條或多條裂紋，每條裂紋都起源于內孔邊緣，并向零件外圓方向擴展，裂紋的長短和深度不一，甚至有裂紋已經穿透整個零件，造成偏心板邊緣錯位而發生嚴重變形。偏心板的裂紋特點表現為剛直且深透，為瞬間斷裂所致，符合淬火裂紋的特征[1-2]。

圖2 偏心板裂紋宏觀形貌

1.3 硬度測試

對出現裂紋的偏心板進行洛氏硬度測試，在偏心板有裂紋的一面上劃分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等4個區域，其中Ⅰ、Ⅱ區域為出現裂紋的區域，Ⅲ、Ⅳ區域基本不會出現裂紋。在4個區域8處不同的位置(1～8)分別測試洛氏硬度，硬度測試點分布示意圖如圖3所示。

圖3 硬度測試點分布示意圖

偏心板不同位置的洛氏硬度測試結果見表2，根據表2中數值繪制的散點圖如圖4所示。

表2 偏心板不同位置的洛氏硬度

圖4 不同位置點的硬度散點圖

從表2中硬度數據值和圖4硬度散點圖來看，偏心板不同位置的硬度均達到設計要求，硬度值基本趨于中上限，說明零件熱處理淬火、回火工藝參數的選擇是合理的。從散點圖可以得出，位于區域I和區域II內的位置1、位置6、位置7的硬度值要稍高于其他區域的硬度值。區域I和區域II是偏心板內孔所在的區域，根據前人經驗該種結構容易造成內孔周圍產生應力集中[3-5]，而應力集中將加劇裂紋的擴展[6]。結合上述裂紋宏觀形貌分析，偏心板的裂紋都是起源于內孔處，進一步說明內孔周圍應力集中促進了裂紋的形成與擴展。

1.4 低倍組織和金相檢驗

對偏心板零件進行酸浸試驗，在100倍光學顯微鏡下觀察低倍組織，沒有發現縮孔殘余、氣泡、裂紋、翻皮、夾雜物及白點等原材料組織缺陷。對有裂紋的偏心板解剖制樣，采用金相顯微鏡對非裂紋區和裂紋區的微觀特征進行觀察，顯微照片如圖5和圖6所示。圖5顯示偏心板的非裂紋區金相組織為回火索氏體，金相組織細小均勻，說明偏心板經過了充分的淬火組織轉化。從圖6裂紋微觀特征來看，裂紋細直，為貫穿式透裂。將裂紋邊緣放大倍數觀察，裂紋邊緣未見明顯的氧化物和脫碳層，說明淬火加熱前偏心板沒有原始裂紋缺陷，否則在高溫淬火加熱狀態下，裂紋兩側勢必會留下被氧化的痕跡[7]，由此判斷裂紋的產生不是原材料本身缺陷所致，而是在淬火冷卻后發生的。

圖5 偏心板非裂紋區金相照片

圖6 偏心板裂紋區微觀特征照片

2 裂紋分析

根據上述理化檢測分析結果，偏心板化學成分符合45鋼化學成分標準規定，不存在生產現場誤使用原材料或材料化學成分不達標的問題；其熱處理硬度滿足設計要求，硬度值基本居于中上限水平，熱處理后的金相組織為均勻回火索氏體組織，顯然基體經過了充分的組織轉變，說明該零件的熱處理工藝參數是合理的；另外材料低倍組織無異常現象，裂紋兩側未見到氧化物和脫碳情況，排除了原材料存在原始裂紋缺陷，進一步說明裂紋是在淬火熱處理后產生的，同時偏心板裂紋形貌呈現剛直而深透的特點，具有典型的淬火裂紋特征。

從偏心板所用材料和熱處理工藝性能來說，偏心板采用45鋼，該材料屬于中碳調質鋼，本身具有很高的淬裂傾向，熱處理過程中容易產生不同程度的淬火裂紋[8-9]。淬火裂紋是碳素鋼材料熱處理中常見的質量問題，形成淬火裂紋的原因主要有材料原始裂紋缺陷、熱處理工藝參數、零件結構形狀及淬火前應力狀態等因素。大量生產實踐表明，零件結構中存在孔洞、棱角、尖角、溝槽或斷面急劇變化的部位，因此這些部位成為應力集中的地方，為淬火裂紋產生的危險部位。另一方面在切削加工過程中零件表面晶粒發生一定的塑性變形引發畸變，從而產生殘余應力[10]，該殘余應力往往受到切削量和切削速度的影響，隨著切削速度增加，表面殘余拉應力增加，其達到的深度也增加，從而加劇了應力集中。

本文中開裂的偏心板在熱處理前進行了板體表面切削加工和制孔加工，從而在孔洞處產生應力集中。該應力沒有經過消除即進行了淬火加熱，由于偏心板厚度較薄，為防止基體過熱過燒，其淬火透熱時間僅為幾分鐘，該應力在短時間高溫狀態下來不及完全釋放，可與冷卻瞬間馬氏體轉變產生的組織應力疊加，從而超過材料本身可承受的最大拉應力，最終導致了裂紋在內孔處萌生并向外擴展。

3 解決措施

當零件結構設計中無法避開內孔、凸臺、溝槽等容易產生應力集中時，應在機械加工過程中對過渡部位進行圓弧倒角，并在淬火前消除表面應力，否則在淬火冷卻時其表面應力與組織轉變應力疊加，將會造成淬火裂紋從應力集中區域萌生和擴展。本文中偏心板內孔處存在應力集中，鑒于該板體較薄，內孔尺寸較小，圓弧倒角加工存在一定的困難，因此可通過淬火前消除表面應力避免淬火裂紋。本文制定了去除偏心板應力的工藝方案。方案1為高溫回火去應力，考慮到偏心板厚度較薄不宜長時間加熱的特性，同時制定了方案2，為正火去應力。具體方案為：方案1高溫回火去應力，偏心板數量40件，600 ℃加熱20 min，空冷；方案2正火去應力，偏心板數量40件，860 ℃加熱10 min，空冷。偏心板經過實施方案1和方案2去除聚集應力后，再分別執行原來的淬火工藝。

根據制定的工藝方案開展了工藝性試驗，試驗結果為方案1高溫回火去應力的偏心板在淬火后有3件出現裂紋，其余37件硬度合格無裂紋，產品質量合格率為92.5%；方案2正火去應力的偏心板在淬火后全部硬度合格，未有零件出現裂紋，產品質量合格率為100%。這是由于在加熱時間相差不多情況下，正火溫度比高溫回火溫度高200 ℃以上，零件在越高溫度下畸變的晶格越容易回復到平衡狀態，則越有利于消除畸變應力，從而為后續淬火提供良好的組織狀態。

通過去除偏心板淬火前的應力，解決了偏心板淬火裂紋問題，同時為類似偏心板內孔加工不對稱結構或厚度較薄的45鋼零件的熱處理提供了方案借鑒，對于較薄的板類零件，或存在孔洞、凸臺的零件，其表面很容易存在應力集中問題，在其淬火前增加正火去除應力，是防止淬火裂紋的有效措施。

4 結語

通過對偏心板裂紋進行檢測分析和制定實施工藝方案，找到了解決其淬火裂紋的有效措施，得到如下結論。

1)偏心板的裂紋為淬火后產生，為零件偏心孔附近存在應力集中所致。

2)通過去除偏心板表面應力可以消除淬火裂紋，相比高溫回火去應力，正火去應力效果更佳，這是由于在加熱時間相差不多情況下，溫度越高越有利于晶格回復，從而為后續淬火提供良好的組織狀態。

3)對于較薄的板類零件，或存在孔洞、凸臺的零件，其表面很容易存在應力集中問題，在其淬火前增加正火去除應力，是防止淬火裂紋的有效措施。