發罩鎖鉤斷裂失效分析

賈仕博，鄭琪，陳俐峰，趙清碧，郭秋彥

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

引言

我國是世界上最大的汽車市場之一，汽車制造業已經成為我國支柱產業[1]。汽車產業行業鏈條長，與其他行業聯系緊密，對社會經濟發展具有重要意義。2021年全國汽車類零售額達 4.4 萬億元，占全國社會消費品零售總額的 9.9 %；汽車制造業營收 8.67 萬億，占規模以上工業企業營收總額的 6.78 %。我國汽車產業在國民經濟中的地位不斷增強，已成為支撐經濟持續快速增長的主要產業之一。然而隨著國內汽車市場增速不斷放緩，面對競爭日益激烈的國內汽車市場，以中低端產品為主的中國品牌汽車將面臨嚴峻挑戰。產品質量的控制成為各車企生存發展的基石，一些微小的質量問題也會受到客戶的抱怨，影響車企的銷量，因此各車企對產品質量控制視為企業的生命。

1 背景介紹

某在研車型在進行整車腐蝕耐久試驗的驗證中，檢查發現前機艙發動機罩鎖鉤異常磨損，隨后進行排查發現供應商未嚴格按照工藝要求進行相關滲碳處理，導致鎖鉤表面硬度不達標，造成磨損異常。后要求供應商按照工藝標準要求執行進行滲碳處理，供應商執行滲碳工藝后將鎖鉤送至生產基地，基地在裝車過程中發現鎖鉤敲擊斷裂，隨后對同批次的鎖鉤進行敲擊試驗，試驗后鎖鉤均斷裂。為分析鎖鉤敲擊斷裂原因，對該供應商的不同熱處理工藝，不同材質四批次鎖鉤開展了化學成分、金相組織、硬度及能譜分析試驗驗證，以便推斷分析出鎖鉤斷裂的原因。

2 試驗樣件與方法

2.1 試驗樣件

本次失效分析的鎖鉤為供應商提供的20#鋼三批次不同熱處理工藝及10B21 一批次熱處理工藝。具體樣件狀態見表1。其中，1～3 號試樣為不同滲碳工藝，4 號試樣為淬火+回火工藝。鎖鉤的相關技術要求見表2。開展的試驗分析項目包括，材料化學成分、硬度、金相組織及能譜分析。

2.2 試驗方法

材 料 的 化 學 成 分 采 用 直 讀 光 譜 儀SPECTROMAXxMM16 按照GB/T4366 進行試驗，金相組織采用Imager.M2m 金相顯微鏡按照GB/T 13289 試驗標準進行試驗，硬度采用維氏硬度計DuraScan 50 按照GB/T 430.2 標準進行測試，能譜分析采用X-MAX 150 設備按照GB/T 29556-2013 進行試驗。試驗設備信息見表3。

3 試驗結果及分析

3.1 化學成分分析

對兩種材質的鎖鉤進行化學成分分析，測試結果見表4，結果顯示，兩種材質均滿足化學成分要求，化學成分合格。

3.2 金相組織分析

對4 批次試樣的心部金相組織分析，金相照片見圖1，1 號、2 號、3 號試樣20#鋼的心部組織均為鐵素體+珠光體，這是由于1～3 號試樣的20 鋼采取先滲碳后進行的熱處理工藝，提高表面的硬度和耐磨性能，心部組織保持原有組織具有較好的韌性。4 號試驗10B21 的心部組織為回火索氏體。這是由于4 號試樣采取的熱處理工藝是淬火+回火，所以心部組織為回火索氏體。

圖1 試樣心部金相組織照片

1 號試樣滲碳層深度為900.9 μm、870.6 μm、862.8 μm，2 號試樣的滲碳層深度為275.4 μm、267.5 μm、276.6 μm，3 號試樣的滲碳層深度為358.4 μm、358.2 μm、357.8 μm，4 號試樣淬火工藝無滲碳層。滲碳層深度見圖2。

圖2 滲碳層深度金相照片

3.3 硬度分析

對4 批次試樣進行洛氏硬度檢測，檢測結果見表5，1 號試樣硬度為36、35、36 HRC，均值為35.6 HRC（符合技術要求），2 號和3 號試樣的洛氏硬度均小于20 HRC（不符合技術要求），4 號試樣的硬度為38、38、38 HRC，均值為38 HRC（符合技術要求）。對于2號和3 號試樣硬度不符合原因分析為，滲碳層深度較小，2 號試樣的滲碳層深度為275.4 μm、267.5 μm、276.6 μm，3 號試樣的滲碳層深度為358.4 μm、358.2 μm、357.8 μm，洛氏硬度計打穿滲碳層，直接打在母材上，所以硬度為母材材質硬度，硬度偏低。針對上述問題，采用維氏硬度計在距離表面0.1 mm 處進行硬度檢測，檢測結果見表6，其中1 號試驗硬度為520、529、526，2 號試樣硬度為534、541、539，3 號試驗硬度為588、584、581，4 號試樣硬度為361、366、365。1～3 號試樣換算后的表面硬度均超過技術要求（35～44）HRC。由于硬度值偏高，使得零件韌性下降斷裂風險升高。

表5 洛氏硬度檢測結果

表6 維氏硬度檢測結果

3.4 能譜分析

對1 號、2 號、3 號試樣進行能譜分析，結果見圖3，結果顯示滲碳層中的碳含量分別為6.69 %、9.54 %、3.64 %。確定為是滲碳工藝。

圖3 能譜分析照片

4 結論

1） 通過對兩種材質20#鋼和10B21 的鎖鉤進行分析，兩種材質鎖鉤的化學成分均符合技術標準要求。材質未使用錯誤。

2）1 號、2 號、3 號試樣20#鋼的心部組織均為鐵素體+珠光體，這是由于1-3 號試樣的20#鋼采取的熱處理工藝是表面滲碳后進行淬火+回火，滲碳后可以提鎖鉤表面的硬度和耐磨性能，心部組織保持原有組織的韌性。4 號試樣10B21 的心部組織為回火索氏體。這是由于4 號試樣采取的熱處理工藝是淬火+回火，所以心部組織為回火索氏體。

3）對4 批次試樣進行洛氏硬度檢測，1 號試樣硬度為36、35、36 HRC，均值為35.6 HRC（符合技術要求），2 號和3 號試樣的洛氏硬度均小于20 HRC（不符合技術要求），4 號試樣的硬度為38、38、38 HRC，均值為38 HRC（符合技術要求）。對于2 號和3 號試樣硬度不符合原因分析為，滲碳層深度較小，2 號試樣的滲碳層深度為275.4 μm、267.5 μm、276.6 μm，3 號試樣的滲碳層深度為358.4 μm、358.2 μm、357.8 μm，洛氏硬度計打穿滲碳層，直接打在母材上，所以硬度為母材材質硬度，硬度偏低。針對上述問題，采用維氏硬度計在距離表面0.1mm 處進行硬度檢測，其中1 號試驗硬度為520、529、526，2 號試樣硬度為534、541、539，3 號試驗硬度為588、584、581，4 號試樣硬度為361、366、365。1～3 號試樣換算后的表面硬度均超過技術要求（35～44）HRC。由于硬度值偏高，使得零件韌性下降易斷裂風險升高。

表7 滲碳層能譜分析結果

4）1 號、2 號、3 號試樣的能譜分析結果顯示，滲碳層中的碳含量分別為6.69 %、9.54 %、9.54 %。確定為是滲碳工藝。

5）通過對以上化學成分、金相組織、硬度及能譜分析，推斷出鎖鉤敲擊斷裂可能有以下幾種原因：20#鋼的三種熱處理工藝制定不合理或者工藝執行不到位，沒有進行回火處理或者回火不充分，導致表面硬度過高，殘余內應力未去除，敲擊時斷裂。

5 建議

1）目前鎖鉤技術要求中沒有滲碳層深度要求，建議增加滲碳層深度技術要求，提高產品熱處理工藝穩定性。

2）修改熱處理工藝或者嚴格執行熱處理工藝，滲碳后進行充分回火，去除內應力，確保硬度滿足技術要求。

3）更換鎖鉤材料，10B21 材料熱處理后能滿足技術要求且未斷裂。