分享：40Cr钢承重连接杆开裂原因

摘 要:在对经调质处理的40Cr钢承重连接杆进行精加工时,发现其外表面发生横向开裂。采 用宏观观察、化学成分分析、气体分析、金相检验及硬度测试等方法分析了该连接杆开裂的原因。 结果表明:该连接杆开裂的原因是热处理工艺不当,导致组织未被淬透;在零件内槽变形处的加工 精度不足,产生了应力集中,导致弧形裂纹延伸至表面。采用调整淬火工艺参数、将冷却介质改为 水基淬火液、优化工件车削精度、将过渡区域改为圆角等方法可以提高产品的合格率。

关键词:40Cr钢;承重连接杆;横向开裂;淬火裂纹

中图分类号:TB31;TG115.7 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)07-0051-04

40Cr钢常用于制作承重连接杆、转向节等中碳 结构钢零部件,其质量对产品使用的安全至关重 要[1]。40Cr钢的热处理方式为加工后直接淬火,对 热轧圆钢进行调质处理可以节约能源、降低成本、提 高材料的力学性能[2]。40Cr钢的淬透性较差,其淬 火介质选用不当易使材料出现淬火畸变、开裂倾向 增大、原奥氏体晶粒粗大、晶粒尺寸不均匀等问 题[3-4]。

某制造厂选用直径为120mm 的热轧40Cr圆 钢,将其加工成直径为115mm、高度为58mm、内 径为90mm、深度为13mm 的摩天轮承重连接杆。 该承重连接杆的加工工艺流程为:原材料→下料→ 粗车→调质→精加工→检验→入库。在精加工时, 发现该承重连接杆表面出现裂纹。笔者采用宏观观 察、化学成分分析、气体分析、金相检验及硬度测试 等方法对裂纹产生的原因进行了分析,并提出了改 进措施,以避免该类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

采用物质的量浓度为5.0mol/L的盐酸水溶液 对开裂连接杆进行清洗,然后对其进行宏观观察,结果如图1所示。由图1可知:外表面裂纹近似平行 于圆周方向,长度约为110mm;台阶侧面车痕明 显,底面台阶处可见整圈小锯齿状裂纹;沿裂纹处人 工打开,发现试样的裂纹源由台阶内侧向外表面扩 展,裂缝宽度逐渐由粗变细,左侧靠近内部位置存在 严重的锈蚀现象。

1.2 化学成分分析

在开裂连接杆上取样,采用直读光谱仪对试样 进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知: 该连接杆的化学成分满足GB/T3077—2015《合金 结构钢》对40Cr钢的要求。

1.3 气体分析

利用氧氮氢联测仪对该连接杆进行气体分析, 结果表明:经精炼后,钢水中氧气的质量分数为 0.00002%,氢气的质量分数为0.0000015%;热轧 圆钢中氧气的质量分数为0.000016%,氢气的质量 分数为0.00000005%。气体分析结果表明,该连 接杆的气体含量均低于产品的技术要求。

1.4 金相检验

在开裂连接杆的截面处取样,将试样研磨、抛光 后,用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液对其进行腐 蚀,再将其置于光学显微镜下观察,试样的微观形貌 如图2所示。由图2可知:横向裂纹附近的组织为回火索氏体+细珠光体+铁素体;试样近表面处的 组织为回火索氏体+少量的铁素体,内部裂纹处的 组织与近表面处的组织存在明显差异;纵向裂纹较 长,且延伸至外表面,裂纹尖端较细,裂纹两侧无脱 碳,可见氧化物。

1.5 非金属夹杂物评定

在裂纹附近取样,将试样磨制、抛光后进行非金 属夹杂物评定,结果如表2所示,可见其 A、B、C、D 类细系均低于1.0级,粗系为0级,大颗粒夹杂 Ds 类低于1.5级,满足标准要求。

1.6 硬度测试

采用全自动硬度计对开裂连接杆进行硬度测 试。鉴于试样裂纹附近的组织与近表面处的组织存 在明显差异,故对该试样裂纹以上的位置进行硬度 测试,结果如表3所示。由表3可知:靠近裂纹区域 的硬度为22.2~24.6HRC,平均值为23.8HRC;外 表面附近的硬度为 29.9~30.7 HRC,平均值为 30.2HRC,裂纹处和外表面处的硬度相差较大。说 明该连接杆的淬透性较差,造成其硬度不均匀[5]。

2 综合分析

弧形裂纹是一种淬火裂纹,裂纹源自零件的内 部、棱角、截面突变处、凹槽等局部区域[6-7],常发生 在未淬透或渗碳淬火的零件中。零件表面经淬火处 理后,在硬化与非硬化区间会出现较大的切应力或 轴向拉应力,造成过渡区产生裂纹。由宏观观察结 果可知,裂纹起始于台阶处内壁底部,并扩展延伸至 零件表面。由化学成分和气体分析结果可知,零件 的化学成分符合标准要求,氧气、氢气等气体含量符 合产品技术要求,因此可以排除因氧气含量超标导 致的气泡缺陷或氢气含量超标导致的白点缺陷。裂 纹附近的显微组织为回火索氏体+细珠光体+铁素 体,高温奥氏体中析出的铁素体为欠热组织,其产生 原因为热处理时的加热温度低于奥氏体的转变温 度,淬火时冷却速率偏低,得到了分解产物细珠光 体,裂纹区呈淬火裂纹的典型特征[8-9];试样边缘近 表面处的组织为回火索氏体+少量铁素体,裂纹处 与近表面处的显微组织存在明显差异。由硬度测试结果可知,连接杆内部截面的硬度相差较大,导致热 处理时淬火开裂倾向增大,原因是截面的厚度不均 匀,淬火冷却过程中,厚度不同的部位马氏体转变不 同,厚度较大的部位发生组织转变时会引起体积膨 胀,并产生拉应力,使连接处产生应力集中,最终形 成淬火裂纹[10-11]。

综合上述分析可知,该承重连接杆表面裂纹 的产生原因为热处理工艺不当导致零件内部的组 织分布不均匀,且连接杆侧面车痕明显,在调质过 程中产生了组织应力和内应力,零件容易沿过渡 区发生开裂,裂纹延伸至表面,最终导致连接杆外 表面发生开裂。

3 改进措施及效果

3.1 改进措施

优化热处理工艺,适当提高淬火温度并延长保 温时间,以获得更均匀的奥氏体,避免产生铁素体。 选取合适的淬火液,加快零件的冷却速率。改进前、 后的热处理工艺参数如表4所示,改进后,零件得到 了均匀的回火索氏体。

选择合理的工件设计,减少应力集中。提高热 处理前工件的加工精度,将台阶变形处的过渡区改 为圆弧角过渡。采用的圆角半径为8mm,表面粗 糙度为1.6μm。

3.2 改进效果

按上述工艺改进后,车加工过程中并未在连接杆 上发现该类裂纹缺陷。对改进后的连接杆进行金相检验,结果如图3所示,发现试样近表面处的组织与凹槽 台阶处的组织差异较小,均为均匀的回火索氏体。

4 结论及建议

(1)承重连接杆表面裂纹产生的原因是热处理 工艺不当,淬火温度较低,导致零件未被淬透,且零 件外表面的加工车痕明显,使尺寸变形处产生了应 力集中,最终导致该连接杆发生开裂。

(2)建议优化热处理工艺参数,将淬火温度调 整至865℃,淬火保温时间延长至180min,冷却介 质改为水基淬火液,改进后连接杆调质组织均匀。

(3)建议提高热处理前零件的加工精度,将易 受应力集中的过渡直角区域改为具有一定弧度的圆 角,以避免产生应力集中。

参考文献:

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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 7期 (pp:51-54)>