文／祁易，張文博，侯會(huì)凱·中車資陽機(jī)車有限公司

連桿是柴油機(jī)中重要的傳動(dòng)部件，由于受力復(fù)雜，要求具有良好的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度，以保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性。柴油機(jī)連桿由于其重要性對(duì)原材料、鍛壓工藝及熱處理要求都極為嚴(yán)格。

我公司開發(fā)的某型連桿在試制過程中，有三根連桿產(chǎn)生了表面裂紋。本文通過宏觀檢驗(yàn)、金相分析、化學(xué)成分和硬度梯度分析，對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行逐一排查，以避免類似的裂紋重復(fù)產(chǎn)生。

圖1 裂紋分布形態(tài)

宏觀檢驗(yàn)

三根連桿裂紋均產(chǎn)生于靠近大頭端的分模面上。裂紋的宏觀形態(tài)為裂紋剛直，有次生裂紋產(chǎn)生，整體呈縱向分布。裂紋整體與纖維流線重合，尾部較尖細(xì)。根據(jù)連桿的剖切面，裂紋深度約10mm，屬于裂紋的擴(kuò)展造成。

金相分析

在距加工區(qū)邊緣約8mm處取樣，見圖1。加工區(qū)一側(cè)裂紋完整，與表面呈一定角度，深度約10mm，與鍛造變形流線一致；而另一側(cè)裂紋僅在次表層殘留一小段，為裂紋的縱向尾部，見圖2。

圖2 裂紋形態(tài)

在未加工處制樣后拋光狀態(tài)觀察，該處裂紋未貫穿連桿表面，距表面約0.2mm，見圖3。裂紋前端與表面呈大角度夾角，裂紋剛直，曲折分布，尾部較尖細(xì)，圖3中殘留裂紋尾部尖細(xì)，見圖4。腐蝕后觀察，裂紋前端與連桿鍛造纖維流線重合，未貫穿到連桿表面，見圖5。裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，前端較平直，中間部分有明顯的曲折，尾部較尖細(xì)，兩側(cè)有較多氧化物，見圖6。殘留裂紋的分布與連桿的帶狀組織一致，無脫碳現(xiàn)象，兩頭較尖細(xì)，見圖7。連桿基體組織為回火索氏體，而表層組織為細(xì)小均勻回火索氏體，見圖8。

圖3 裂紋靠表面處形態(tài)

圖4 裂紋尾部形態(tài)

圖5 裂紋靠表面處形態(tài)（腐蝕）

圖6 裂紋形態(tài)及組織

由理化分析可知，連桿次表層組織基本為細(xì)針狀馬氏體回火組織，基體為板條狀馬氏體回火組織。由于連桿表面有裂紋區(qū)域大部分已加工，取樣位置位于裂紋的尾部，該處裂紋未貫穿表面，前端與纖維流線重合。裂紋中部曲折，尾部較尖細(xì)，為典型的應(yīng)力裂紋形態(tài)。裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，中間及兩側(cè)有較多的氧化物。

圖7 殘留裂紋附近組織形態(tài)

化學(xué)成分分析

連桿材質(zhì)為42CrMoA。由圖2可知，連桿腐蝕后其表面與基體顏色不同，表面4mm區(qū)域內(nèi)顏色明顯要深一些。用光譜儀對(duì)表面及基體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示兩者化學(xué)成分無明顯差異，符合連桿技術(shù)條件的要求，見表1。

硬度分析

在連桿未加工處制作的試樣上進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，結(jié)果顯示，連桿表面4.0mm范圍內(nèi)顏色深的區(qū)域硬度值較基體硬度高，表面有明顯的硬度降低，見表2。硬度梯度測(cè)試顯示，連桿次表層硬度較基體硬度高，表面有脫碳現(xiàn)象。

分析與討論

圖8 連桿基體及表層組織

由于連桿材質(zhì)為42CrMoA，碳含量較高，在淬火時(shí)組織轉(zhuǎn)變會(huì)更劇烈，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而增加淬火開裂的風(fēng)險(xiǎn)。鍛件的分模面由于變形會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的纖維流線，其橫向性能較差，也會(huì)增加淬火開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

從金相分析，我們得出以下結(jié)論：

⑴裂紋是由外向內(nèi)沿纖維流線產(chǎn)生的應(yīng)力開裂，是在淬火過程中產(chǎn)生的。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)

表2 硬度梯度測(cè)試

⑵裂紋起始處位于已加工掉的區(qū)域。裂紋均產(chǎn)生于靠近大頭端的分模面上，均出現(xiàn)在連桿的單側(cè)。

因此，裂紋出現(xiàn)的原因基本確定以下兩種因素：

⑴淬火時(shí)產(chǎn)生的裂紋。

淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋的原因可能有以下幾點(diǎn)：1)成分超標(biāo)；2)熱處理工藝錯(cuò)誤；3)操作失誤。

對(duì)此次裂紋處化學(xué)成分檢測(cè)，符合材料技術(shù)條件范圍，可以排除成分超標(biāo)；由于只有個(gè)別連桿發(fā)現(xiàn)裂紋而不是批量裂紋，熱處理工藝不合理和操作失誤的可能性也不大；熱處理裂紋的位置存在隨機(jī)性，但本次三根連桿的裂紋位置基本一致，裂紋表象、深度基本一致。

基于以上分析，可以排除該裂紋為淬火時(shí)產(chǎn)生的裂紋。

⑵鍛造時(shí)產(chǎn)生的缺陷，在熱處理時(shí)發(fā)生擴(kuò)展。

依據(jù)鍛造產(chǎn)品的特性，分模面是鍛造缺陷的高發(fā)區(qū)。本次三根連桿的裂紋位置均出現(xiàn)在分模面，與鍛造缺陷高發(fā)區(qū)吻合。因此，可以初步判定裂紋為鍛造時(shí)產(chǎn)生的缺陷并在熱處理過程中發(fā)生擴(kuò)展形成的。

裂紋產(chǎn)生過程還原

由于該連桿是由16t模鍛錘多次打擊成形，在打擊過程中會(huì)不斷有金屬垮塌在分模面位置，垮塌位置如圖9所示?？逅蟮慕饘匐S著型腔內(nèi)多余的金屬不斷流出形成飛邊，逐漸聚集在鍛模橋部位置，直至鍛件成形。

然而在生產(chǎn)時(shí)，16t模鍛錘設(shè)備傾斜較大，傾角達(dá)到2‰（后期檢測(cè)的結(jié)果），在打擊過程中必然會(huì)導(dǎo)致鍛模上模發(fā)生偏離，在打擊后期在模具導(dǎo)鎖的作用下與下模配合時(shí)就會(huì)導(dǎo)致上模的晃動(dòng)，從而造成垮塌的金屬在鍛模橋部位置不能按預(yù)定流動(dòng)，造成局部堆積，再在錘頭的多次打擊下形成層疊。而在生產(chǎn)過程中如果操作者未將坯料擺正，坯料偏向一側(cè)就加大了垮塌的可能性及垮塌量，此時(shí)在坯料偏向一側(cè)的鍛模橋部位置的金屬堆積太多，無法有效流出，在錘頭的作用力下，就會(huì)將部分已發(fā)生層疊的金屬擠入到連桿本體內(nèi)形成缺陷。

圖9 金屬在型腔內(nèi)垮塌位置

連桿鍛造過程中，個(gè)別連桿桿身形成了缺陷，熱處理前未完全清除，形成淬火裂紋源。在淬火過程中，由于個(gè)別連桿桿身的缺陷使強(qiáng)度降低，淬火過程中產(chǎn)生的巨大應(yīng)力超過材料本身的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生裂紋。

本批連桿淬火溫度為850℃，且連桿原材料中的碳含量較高，在淬火時(shí)組織轉(zhuǎn)變會(huì)更劇烈，淬火裂度較大，因此產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)更大，會(huì)增加淬火開裂的機(jī)率。如果連桿淺表面存在缺陷，會(huì)在淬火時(shí)形成裂紋擴(kuò)展。鍛件的分模面由于變形會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的纖維流線，其橫向性能較差，所以在淬火時(shí)裂紋會(huì)沿纖維流線擴(kuò)展。

結(jié)合對(duì)設(shè)備的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)16t模鍛錘的錘臂水平傾斜達(dá)2‰，而16t模鍛錘的打擊行程為1500mm，得出上模產(chǎn)生的水平錯(cuò)移約為3mm。鍛造下行過程中的錯(cuò)模如圖10所示。而當(dāng)鍛模進(jìn)一步下行，凹鎖扣和凸鎖扣接觸產(chǎn)生導(dǎo)向效果時(shí)，靠鍛模鎖扣強(qiáng)行將上模拉拽會(huì)抵消一部分錯(cuò)移。再考慮出模斜度，切邊面距本體約3mm，所以原始缺陷部位會(huì)在距離表面6mm的范圍內(nèi)。熱處理的裂紋擴(kuò)展深度與熱處理時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān)，結(jié)合原始缺陷的部位，其擴(kuò)展裂紋會(huì)呈現(xiàn)出與分模面平行、沿著金屬流線方向擴(kuò)展，深度不一定。

圖10 鍛模錯(cuò)模示意圖

從以上分析可得出：

⑴裂紋只會(huì)出現(xiàn)在連桿的分模面。

⑵原始缺陷部位會(huì)在距離表面6mm范圍內(nèi)，在熱處理應(yīng)力的作用下，沿著金屬流線方向擴(kuò)展。

⑶產(chǎn)生原始缺陷的條件：錘頭晃動(dòng)超標(biāo)和擺料偏斜二者同時(shí)具備。雖然生產(chǎn)中錘頭晃動(dòng)超標(biāo)，而擺料偏斜是偶然的（工藝要求擺料要正、對(duì)中）。所以產(chǎn)生裂紋的連桿只會(huì)出現(xiàn)在該批的個(gè)別產(chǎn)品中。

結(jié)論

由于缺陷位于連桿本體內(nèi)，是次表面裂紋；而在切邊作用力下，部分表層缺陷被擠壓后反而消失。所以僅采用磁粉探傷方式進(jìn)行出廠檢驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)缺陷，可以增加雙晶探頭超聲波探傷進(jìn)行檢測(cè)，但要注意探傷區(qū)的表面粗糙度要達(dá)到MRR Ra6.3μm。

鍛壓設(shè)備本身的精度對(duì)模鍛產(chǎn)品折疊的影響十分關(guān)鍵，鍛造廠一定要依據(jù)產(chǎn)品特性，合理控制鍛壓機(jī)本身的晃動(dòng)。