王燕玉，李亞軍

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

1 前言

牽引桿組件是用于軌道車輛一系減振、牽引傳動的重要零部件，其質(zhì)量要求高，金屬部件表面不允許存在任何形式的裂紋，一般要保障至少30年的使用壽命。本文以一種異型的軌道車輛牽引桿為研究案例，此產(chǎn)品在熱處理后出現(xiàn)批量裂紋，整批產(chǎn)品裂紋比例高達(dá)90%，其中50%的裂紋肉眼可見，造成產(chǎn)品批量報(bào)廢。為降低質(zhì)量損失、消除后續(xù)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，需對產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋的成因進(jìn)行分析，并給出解決問題的方案。

軌道車輛中的牽引桿主要為典型的鍛鋼件，采用圓鋼鍛造成型，產(chǎn)品在鍛造過程中有可能產(chǎn)生金屬的折疊、裂紋等缺陷，一般通過無損探傷檢測的手段，對鍛造過程的缺陷都能加以發(fā)現(xiàn)。對于結(jié)構(gòu)簡單的鍛鋼件牽引桿，鍛造裂紋成因較為簡單，主要可分為原材料缺陷引起的鍛造裂紋和鍛造本身引起的鍛造裂紋。原材料缺陷引起鍛造裂紋的主要原因?yàn)椴牧蟽?nèi)部存在夾雜物超標(biāo)、縮松或縮孔等冶煉缺陷。鍛造過程引起裂紋的主要原因?yàn)榧訜徇^程不當(dāng)、工件變形異常、鍛后冷卻過程不當(dāng)、熱處理過程不當(dāng)?shù)取?/p>

本文借鑒常規(guī)鋼鍛件產(chǎn)品的分析思路，對軌道車輛的一種異型結(jié)構(gòu)牽引桿表面裂紋的成因進(jìn)行詳細(xì)分析，并制定切實(shí)有效的控制措施，給其他類型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件裂紋的解決提供可借鑒的方案。

2 裂紋及原因分析

鑒別鍛造裂紋形成的機(jī)理，首先應(yīng)了解產(chǎn)品的工藝過程，分析裂紋形成的客觀條件，其次對裂紋本身進(jìn)行針對性的宏觀和微觀分析。

該型牽引桿材質(zhì)為42CrMo4，材料標(biāo)準(zhǔn)為EN 10083-1 : 2006，生產(chǎn)工藝流程為：原材料檢驗(yàn)→下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)熱處理→無損探傷→精加工，初步分析裂紋成因可能為原材料、鍛造工藝或調(diào)質(zhì)熱處理3 個(gè)方面的問題。每件產(chǎn)品在不同位置存在3 條裂紋，沿凹槽位置的縱向裂紋如圖1所示，從內(nèi)部某一位置出現(xiàn)并沿半徑方向延伸的裂紋以及內(nèi)孔壁裂紋如圖2所示，裂紋形態(tài)均肉眼可見。

圖1 縱向裂紋示意

圖2 延伸裂紋及內(nèi)孔壁裂紋示意

根據(jù)初步的宏觀分析，分別從原材料性能、鍛造過程、熱處理過程進(jìn)行調(diào)查分析，找出可能存在的原因，同步對裂紋位置進(jìn)行金相分析，確定裂紋產(chǎn)生的真正原因或主要原因。

2.1 材料性能復(fù)查

經(jīng)查閱牽引桿原材料入庫檢驗(yàn)記錄確認(rèn)原材料入庫檢驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)均合格，同時(shí)對裂紋部位取本體進(jìn)行化學(xué)成分及力學(xué)性能分析，結(jié)果均合格，化學(xué)成分如表1所示，裂紋牽引桿本體的拉伸性能及沖擊功如表2所示。

表1 裂紋牽引桿本體的化學(xué)成分 wt.%

表2 裂紋牽引桿本體的拉伸性能及沖擊功

2.2 鍛造過程分析

鍛造過程的工藝流程為：圓鋼感應(yīng)加熱→一次鍛造 →二次電爐加熱→二次鍛造→三次電爐加熱→三次鍛造成形。金屬產(chǎn)品在加熱和鍛造過程中會產(chǎn)生表面脫碳，高溫狀態(tài)下存在時(shí)間越長，表面脫碳層的厚度越深。根據(jù)該產(chǎn)品的鍛造工藝過程，可以確定產(chǎn)品表面會存在較深的脫碳層，并存在氧化皮清除不干凈造成產(chǎn)品表面產(chǎn)生折疊的風(fēng)險(xiǎn)，以上2 種情況可能是本次產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋的主要原因。

2.3 熱處理過程分析

熱處理過程的工藝流程為：毛坯裝爐→淬火→檢驗(yàn) →回火→檢驗(yàn)。淬火過程中，介質(zhì)中的氧氣、二氧化碳、水蒸氣和氫氣與鋼件表層的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使工件表面的碳濃度降低，此時(shí)由工件表層開始，次層的碳不斷向表層擴(kuò)散，溫度越高、加熱時(shí)間越長，脫碳層越厚。脫碳層的產(chǎn)生使淬火工件表面出現(xiàn)軟點(diǎn)，表面硬度和耐磨性降低，進(jìn)而在冷卻過程中容易產(chǎn)生表面裂紋。

該產(chǎn)品熱處理過程采用多功能箱式爐進(jìn)行，對淬火和回火過程的溫度和時(shí)間進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，冷卻介質(zhì)為專用淬火油，冷卻的溫度和時(shí)間也進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。實(shí)際淬火時(shí)，采用惰性氣體氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，防止工件表面脫碳的產(chǎn)生。產(chǎn)品實(shí)際熱處理過程控制中是否存在異常情況，還需要結(jié)合產(chǎn)品本身熱處理后的表面硬度、機(jī)械性能、脫碳層深度、金相組織等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。

2.4 裂紋區(qū)域金相組織分析

在產(chǎn)品本體上，垂直于裂紋方向進(jìn)行切割取樣，進(jìn)行金相分析。

2.4.1 凹槽處裂紋1

（1）凹槽處存在2 條裂紋，形態(tài)如圖3和圖4所示，裂紋由凹槽表面往里擴(kuò)展，尾端尖細(xì)，有斷續(xù)狀細(xì)小尾巴，裂紋兩側(cè)有微小的次生裂紋。

圖3 凹槽處裂紋頭部形態(tài)

圖4 凹槽處裂紋尾部形態(tài)

（2）裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，且微觀組織為均勻的回火索氏體，具體如圖5所示，符合淬火裂紋的典型特征。

圖5 凹槽處裂紋兩側(cè)脫碳層及微觀組織

（3）緊挨裂紋和遠(yuǎn)離裂紋位置的晶粒度無明顯差別，晶粒度為8.5 級。

2.4.2 內(nèi)孔壁裂紋2

（1）內(nèi)孔壁及附近存在多條裂紋，且裂紋走向不一，形貌如圖6所示。

圖6 內(nèi)孔壁處裂紋形貌

（2）如圖7所示，裂紋兩側(cè)存在明顯脫碳，脫碳層深度可達(dá)520 μm；裂紋兩側(cè)微觀組織為均勻的回火索氏體。

圖7 內(nèi)孔壁處裂紋兩側(cè)脫碳層及微觀組織

（3）緊挨內(nèi)孔壁位置的晶粒度為7.5 級，遠(yuǎn)離內(nèi)孔壁晶粒度為6 級，且晶粒也存在不均勻現(xiàn)象。

2.4.3 端面裂紋3

（1）裂紋從內(nèi)部某一位置出現(xiàn)并沿半徑方向往兩端延伸，直至到達(dá)外表面。

（2）裂紋存在擴(kuò)展現(xiàn)象可分為2 階段，具體如下。裂紋擴(kuò)展階段1：裂紋頭部較寬，裂紋兩側(cè)存在明顯脫碳，脫碳層深度可達(dá)120 μm，如圖8所示；緊挨裂紋處晶粒較細(xì)，遠(yuǎn)離裂紋處晶粒變粗，具體如圖9所示。裂紋擴(kuò)展階段2：裂紋尾部纖細(xì)、剛健有力、尾端尖細(xì)，裂紋兩側(cè)無明顯脫碳，微觀組織為均勻的回火索氏體，如圖10所示，符合淬火裂紋的典型特征；緊挨裂紋和遠(yuǎn)離裂紋晶粒度無明顯差別，晶粒度為6 級。裂紋擴(kuò)展階段1、2 交界處：裂紋突然由粗變細(xì)，由存在明顯脫碳變?yōu)闊o脫碳。

圖8 裂紋頭部形貌、兩側(cè)微觀組織及脫碳情況

圖9 裂紋頭部兩側(cè)的晶粒形貌

圖10 裂紋尾部形貌、兩側(cè)脫碳及微觀組織

根據(jù)上述分析可知，牽引桿裂紋產(chǎn)品本體取樣的化學(xué)成分、拉伸及沖擊性能均滿足EN 10083-1 : 2006 規(guī)定的要求。凹槽內(nèi)位置裂紋1 由表面往里擴(kuò)展，兩側(cè)未見脫碳，且有微小次生裂紋，裂紋尾端尖細(xì)，有斷續(xù)狀細(xì)小尾巴，符合淬火裂紋的典型特征，緊挨裂紋和遠(yuǎn)離裂紋位置的晶粒度無明顯差別，說明該裂紋主要產(chǎn)生在熱處理階段。內(nèi)孔壁位置裂紋2 及附近存在多條裂紋，裂紋走向不一且裂紋兩側(cè)存在明顯脫碳，脫碳層深可達(dá)520 μm，推測該類裂紋產(chǎn)生于淬火熱處理之前。端面位置裂紋從產(chǎn)品內(nèi)部起裂，沿徑向往兩端擴(kuò)展，擴(kuò)展分2 個(gè)階段，在兩階段交界處，裂紋突然由粗變細(xì)，由明顯脫碳變?yōu)闊o脫碳。擴(kuò)展階段一：裂紋較寬，兩側(cè)存在明顯脫碳，脫碳層深可達(dá)80～120 μm；緊挨裂紋晶粒相對較細(xì)，遠(yuǎn)離裂紋晶粒變粗；推測該裂紋階段產(chǎn)生于淬火熱處理之前。擴(kuò)展階段二：裂紋纖細(xì)、曲折、尾端尖細(xì)，兩側(cè)未見脫碳，緊挨裂紋和遠(yuǎn)離裂紋晶粒度無明顯差別。推測該裂紋階段是在擴(kuò)展階段一，即淬火熱處理之前既有裂紋的基礎(chǔ)上，在淬火冷卻過程中繼續(xù)發(fā)展而成的淬火裂紋。

3 整改措施

綜上所述，鍛造過程中產(chǎn)生脫碳層、折疊或開裂為本批產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋的主要原因。為解決該質(zhì)量問題，將原鍛造工藝進(jìn)行調(diào)整，具體為：圓鋼感應(yīng)加熱→一次鍛造→產(chǎn)品表面打磨清除脫碳層及氧化皮→二次電爐加熱→二次鍛造成形，整個(gè)過程減少1 次加熱和鍛造，并在二次加熱鍛造前完全清除表面缺陷。

采用同批原材料及同種熱處理工藝，按新的鍛造工藝重新生成一批產(chǎn)品100 件，合格率為100%，驗(yàn)證和確認(rèn)了裂紋的原因分析精準(zhǔn)，整改措施有效。針對后續(xù)鍛造產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)過程，應(yīng)盡量采用一次加熱鍛造工藝，若因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜需增加鍛造次數(shù)，則需在每次鍛造完成后對產(chǎn)品表面的缺陷進(jìn)行徹底的清除。

4 總結(jié)

通過本研究對改型異型鍛造牽引桿產(chǎn)品的裂紋成因進(jìn)行分析，找到了裂紋缺陷產(chǎn)生的主要原因，并提出適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法，通過實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證，證明了研究分析過程合理，解決方案有效，提升了過程質(zhì)量控制能力，并積累了鍛造類產(chǎn)品裂紋缺陷分析的基本方法。