李東超，王玨，張廣瑞， 張永旭， 金明陽， 王國勛，崔新全，王威

1.大連船用柴油機有限公司 遼寧大連 116000

2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司 遼寧大連 116000

1 序言

十字頭是船用低速柴油機特有的連接活塞桿與連桿的關(guān)鍵零件，除承受工作中的摩擦和沖擊力外，還要承受周期性的氣體爆發(fā)壓力、交變的彎曲及剪切應(yīng)力，工作條件非常惡劣。因此，要求其具有高的強度和硬度、足夠的沖擊韌度、良好的耐磨性和耐疲勞性等。

我公司引進(jìn)生產(chǎn)的MAN B&W船用柴油機是國際上先進(jìn)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，最新級別的S50ME-B主機十字頭要求進(jìn)行表面淬火處理。要求如下：淬火＋回火后表面硬度為420～580HV20，磨削成品后表面硬度＞380HV20，硬化層有效深度為1.5～3.5mm（滿足界限硬度350HV20的要求）。根據(jù)要求，對十字頭采用中頻感應(yīng)淬火工藝。

5S50ME-B主機十字頭采用的材料為S45U，其加工工序為：鍛件→正火→毛坯粗加工→表面淬火→回火→精加工→磨外圓→磁粉檢測→精磨外圓。但近期在對5S50MEB#20主機的5件十字頭成品進(jìn)行磁粉檢測時，發(fā)現(xiàn)表面均出現(xiàn)了細(xì)小徑向裂紋，如圖1所示。該裂紋在成品十字頭中是不允許出現(xiàn)的，因為十字頭是運動部件中實現(xiàn)連接的樞紐部件，需承受高燃燒壓力，工作條件惡劣，油膜很薄，所以為了防止十字頭擦傷軸承，十字頭表面必須非常光滑。如果外表面存在裂紋，當(dāng)柴油機運轉(zhuǎn)時，十字頭承受周期性彎曲作用力，并具有沖擊性，十字頭表面受到摩擦和磨損，加快裂紋的擴展，則會造成十字頭損壞。而十字頭的損壞變形又會造成運行中潤滑不良，油膜被破壞，在主機的運轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)致十字頭軸承發(fā)生故障，成為船用低速柴油機可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。進(jìn)一步對淬火后5S50MEB#23主機的十字頭毛坯件進(jìn)行磁粉檢測，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了細(xì)小徑向裂紋的存在，如圖2所示。為查明裂紋的性質(zhì)及產(chǎn)生原因，在帶有裂紋的5S50MEB#20主機爐號為3-64226-9的十字頭上取樣，并進(jìn)行了硬度、金相檢測及材質(zhì)成分分析。

圖1 裂紋表面狀態(tài)

圖2 裂紋磁粉檢測狀態(tài)

2 理化檢測

2.1 表面硬度檢測

十字頭外觀形貌如圖3所示。用EquotipR3型里氏硬度計對外表面從B端到C端進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表1。由表1可知，十字頭表面硬度符合MAN B&W標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 十字頭表面硬度檢測結(jié)果 （HV20)

圖3 十字頭外觀形貌

2.2 裂紋形貌觀察

為便于取樣分析，在A處進(jìn)行磁粉檢測（見圖3），在表面觀察到存在垂直于零件軸向的細(xì)小徑向裂紋（見圖4）。對十字頭進(jìn)行取樣（見圖5），取寬30mm、深約20mm的圓環(huán)（取樣位置見圖4）。對圓環(huán)外表面進(jìn)行磁粉檢測，在裂紋位置切取長30～40mm的試樣3塊，編為1#、2#、3#。試樣外表面裂紋清晰可見，裂紋長度為3～14m m，如圖6所示。

圖4 十字頭表面裂紋形貌

圖5 取樣位置

圖6 裂紋長度

2.3 淬硬層檢測

采用硬度法檢測淬硬層深度。取1#試樣，使用HVX-1000型數(shù)顯顯微硬度計在試樣橫截面上（見圖7）進(jìn)行顯微硬度梯度檢測，其硬度梯度分布曲線如圖8所示。以350HV1為界限測定淬硬層深度約為3.7mm。

圖8 1#試樣硬度梯度分布曲線

2.4 金相檢測

（1）宏觀形貌觀察 沿與裂紋走向垂直的方向（見圖6c）在裂紋處切取寬約10mm的試樣，編為4#試樣。將2#和4#試樣進(jìn)行磨制拋光，2#試樣磨制面為外表面D和軸向截面E，4#試樣磨制面為裂紋縱截面F，如圖9所示。首先用金相顯微鏡對2#試樣進(jìn)行觀察，均未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物。2#試樣表面裂紋的宏觀形貌如圖10所示，裂紋形態(tài)為鋸齒狀，裂紋深度約為0.1mm。

圖9 試樣磨制拋光面

圖10 2#試樣裂紋宏觀形貌

（2）裂紋區(qū)域硬度檢測 在2#試樣表面，對裂紋兩側(cè)進(jìn)行顯微硬度檢測，檢測點分布如圖11所示，硬度測試結(jié)果見表2。從表2可看出，裂紋邊緣處的硬度值稍低。

表2 裂紋區(qū)域硬度測試結(jié)果 （HV1）

圖11 硬度測試點分布示意

（3）顯微組織檢測 將拋光后的2#和4#試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察顯微組織，如圖12～圖15所示。

圖12 2#試樣軸截面E正常區(qū)域顯微組織

圖13 2#試樣表面裂紋附近顯微組織（400×）

圖14 2#試樣軸截面E顯微組織（400×）

圖15 4#試樣截面F裂紋深度及心部顯微組織（400×）

金相顯微組織分析結(jié)果表明，十字頭的心部組織為珠光體＋鐵素體，按GB/T 13320—1991《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評級方法》中的評級圖進(jìn)行評定，結(jié)果為2級，晶粒較均勻，晶粒度為7～8級；表面組織為回火馬氏體，按JB/T 9204—1999《鋼件感應(yīng)淬火金相評級》評判為4～5級，晶粒度為9級[1]；過渡層組織為屈氏體＋鐵素體。通過對2#、4#試樣中裂紋附近的顯微組織觀察，裂紋附近的組織與正常區(qū)域無明顯變化，無組織粗大等異?，F(xiàn)象，也無氧化現(xiàn)象及脫碳層，裂紋沿晶界斷裂，尾端尖細(xì)，裂紋深度在硬化層內(nèi)，深度為0.1～0.25mm。

2.5 化學(xué)成分分析

將從3#試樣上切取4#試樣后余下的樣塊，用直讀光譜儀對裂紋處的材質(zhì)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3。由表3可知，其化學(xué)成分滿足MAN B&W標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 十字頭材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 分析與討論

因為是在加工成品的十字頭上發(fā)現(xiàn)裂紋，所以首先要判斷出裂紋是否為磨削加工產(chǎn)生的。通過對淬火后未進(jìn)行加工的十字頭磁粉檢測發(fā)現(xiàn)裂紋，可判斷出裂紋不是磨削裂紋。進(jìn)一步在對淬火前的十字頭毛坯件進(jìn)行磁粉檢測，也未發(fā)現(xiàn)裂紋。從失效十字頭的材質(zhì)化學(xué)成分、表面硬度、金相檢測結(jié)果看，基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，無鍛造缺陷，因此可判斷裂紋是在淬火過程中產(chǎn)生的。從十字頭表面裂紋的宏觀形貌及微觀顯微組織的檢測結(jié)果可知，裂紋周圍沒有氧化現(xiàn)象及脫碳層存在，周圍的顯微組織與其他區(qū)域無明顯區(qū)別，裂紋是沿晶界斷裂的，深度在淬硬層內(nèi)，呈現(xiàn)出淬火裂紋特征[2]，因此十字頭表面出現(xiàn)的裂紋可判定為淬火裂紋。

淬火裂紋是因突然冷卻或者冷卻速度太快導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力不均勻而造成的，淬火時形成的拉應(yīng)力是引起淬火裂紋的主要原因[3]。中頻感應(yīng)淬火后，鋼中的內(nèi)應(yīng)力是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，構(gòu)成表面受壓、中間受拉或受壓的應(yīng)力分布特點，拉應(yīng)力峰值位置是在靠近硬化層內(nèi)側(cè)處，或在硬化區(qū)結(jié)束處的過渡區(qū)中。在實際中頻感應(yīng)淬火過程中，以下幾個因素會影響到拉應(yīng)力峰值，從而造成產(chǎn)品外圓表面產(chǎn)生裂紋。

1）加熱速度越快，溫度梯度越大，則淬硬層中的過渡層寬度越小，拉應(yīng)力峰值越大，且切向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力，其峰值位置也越趨近表面硬化層。

2）淬火時拉應(yīng)力集中，會使瞬間產(chǎn)生的拉應(yīng)力值接近或超過材料的抗拉強度，從而產(chǎn)生淬火裂紋。

3）在淬火區(qū)域與非淬火區(qū)域的過渡帶，易在靠近淬火區(qū)形成拉應(yīng)力峰值，從而產(chǎn)生裂紋。

對于直徑大的圓柱形零件，當(dāng)采用對中心式整圈感應(yīng)器加熱、噴水冷卻淬火而零件又不旋轉(zhuǎn)時，如感應(yīng)器內(nèi)壁與零件間的空氣隙太小或噴水口堵塞，冷卻時噴射的水柱未散開，在與熾熱零件表面接觸時未形成水幕，也能產(chǎn)生短小而輕微的裂紋[4，5]。另外，感應(yīng)淬火時，淬硬層深度對淬火質(zhì)量也有影響[6]。

根據(jù)淬硬層的測定結(jié)果得出，十字頭的淬硬層過深。若淬硬層過深，則會影響到零件心部受力，使心部抗壓性能降低，韌性減小，脆性增加，在表面也能產(chǎn)生裂紋。

影響硬化層的因素如下。

1）感應(yīng)圈與零件的耦合間隙，這是最重要的影響因素。

2）加熱功率。

3）掃描速度。

4）淬火液流量、壓力、噴淋角度等。

綜上所述，可斷定十字頭表面裂紋是在中頻感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生的。在十字頭淬火過程中，由于感應(yīng)器變形，而十字頭又固定不動，導(dǎo)致感應(yīng)器與十字頭表面間隙不均勻，造成局部過熱或過冷，使得十字頭表面受力不均而產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力，超過了工件本身的抗拉強度，所以產(chǎn)生裂紋。

4 改進(jìn)措施

改進(jìn)十字頭中頻感應(yīng)淬火工藝，將十字頭加熱方式改為旋轉(zhuǎn)加熱，使工件表面受熱及應(yīng)力分布更加均勻，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。改進(jìn)熱處理工藝后，對淬火后的十字頭進(jìn)行磁粉檢測，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

5 結(jié)束語

1）材料的化學(xué)成分分析說明十字頭的材質(zhì)化學(xué)成分符合MAN公司標(biāo)準(zhǔn)。

2）從十字頭表面裂紋的宏觀形貌及微觀顯微組織的檢測結(jié)果可知，十字頭表面裂紋屬于淬火裂紋。

3）十字頭表面淬火裂紋產(chǎn)生的主要原因是中頻感應(yīng)淬火過程中，由于感應(yīng)器變形，造成局部拉應(yīng)力過大，超過了工件本身的抗拉強度。

4）在熱處理過程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的大小、分布及變化規(guī)律非常復(fù)雜，經(jīng)常會導(dǎo)致零件的淬火裂紋。當(dāng)沒有相應(yīng)的檢測設(shè)備時，無法準(zhǔn)確測定零件內(nèi)應(yīng)力大小，因此設(shè)計工藝和工裝時，在考慮滿足產(chǎn)品性能的前提下，應(yīng)盡可能地減小內(nèi)應(yīng)力，降低裂紋產(chǎn)生的概率，減少廢品損失。