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對批量的扭力臂銷進(jìn)行表面滲碳處理，熱處理工藝流程為鍛造→正火→精車→滲碳→緩冷→高溫回火→淬火→低溫回火。由于該產(chǎn)品有效硬化層較深，達(dá)到2.2～2.7mm，且單邊磨量為0.7mm。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的熱處理各項點的檢驗結(jié)果均明顯優(yōu)于設(shè)計文件的要求，這樣就凸顯了該工藝成本高、熱處理周期長、能耗大的不足。所以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，本著節(jié)能降耗，降低成本的思路，對熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。

 

1.工藝試驗過程

該扭力臂銷材質(zhì)為18CrNiMo7-6，加工工藝路線：鍛造→正火→精車→降溫淬火→回火→機(jī)加工。該批次扭力臂銷采用降溫淬火的熱處理工藝，具體工藝過程為930℃滲碳，后隨爐降溫至830℃保溫3h后淬火，出爐后180℃回火。

 

首次工藝試驗后，多個扭力臂銷等待機(jī)加工的擱置過程中出現(xiàn)了貫穿縱向裂紋，裂紋深度擴(kuò)展至扭力臂銷的中心。縱裂是常見的淬火裂紋，其產(chǎn)生的力學(xué)條件是：在切向殘余應(yīng)力呈表面受拉、心部受壓的情況下，作用于零件表面的最大拉應(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度。熱處理實踐證明滲碳淬火零件的殘余應(yīng)力分布與此相反，近于表面受壓、心部受拉的應(yīng)力分布形式，很少出現(xiàn)縱裂。所以，我們對出現(xiàn)裂紋的扭力臂銷進(jìn)行了解剖制樣，并做失效分析。

 

2.分析與討論

 

1）斷口宏觀分析

對該扭力臂銷的兩個大端面凸臺位置進(jìn)行解剖，如圖所示。

 斷口形貌

 

由圖可以看出該斷口較平整，為亮灰色，而且存在明顯的“人”字形放射條紋，斷口齊平，呈脆性斷裂特征收斂方向指向內(nèi)層裂紋源位置。

 

2）化學(xué)成分分析

該扭力臂銷材質(zhì)為18CrNiMo7-6，根據(jù)GB/T 223測定化學(xué)成分。

 

3）顯微組織

由圖4可以看出表層存在大量殘留奧氏體+塊狀或角狀碳化物+針狀馬氏體組織，經(jīng)測算殘留奧氏體量達(dá)到40%，碳含量達(dá)1%左右。次表層組織為粗大針狀馬氏體+少量殘留奧氏體（見圖5）。次表層與內(nèi)層過渡區(qū)組織為粗大板條馬氏體+針狀馬氏體，如圖6所示。內(nèi)層與心部過渡區(qū)組織為板條馬氏體+粒狀貝氏體組織（見圖7）。由圖8可以看出心部組織為粒狀貝氏體組織。

圖4  表面組織

圖5  次表面組織

圖6  次表面與內(nèi)層過渡區(qū)

圖7  內(nèi)層與心部過渡區(qū)

圖8  心部組織

同時依據(jù)TB/T 2254測得內(nèi)氧化18μm，脫碳3級。同時測得該扭力臂銷的有效硬化層深度為2.4mm。

 

4）產(chǎn)生縱裂的力學(xué)條件

淬火零件上殘余應(yīng)力的最終分布形式是淬火冷卻過程中組織應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。無論是正常扭力臂銷還是開裂的扭力臂銷, 其熱應(yīng)力造成的殘余應(yīng)力都是以表面受壓、心部受拉形式分布的，是縱裂的抑制因素。該縱裂扭力臂銷截面積較大，滲碳淬火時裝爐量大，油淬淬火冷卻速度相對緩慢，因此組織應(yīng)力的作用決定該扭力臂銷的最終應(yīng)力分布。滲碳淬火件沿截面化學(xué)成分的變化改變著淬火的相變順序，通常零件冷卻是從接近基體成分的部位先開始相變，然后向表層和中心擴(kuò)展，所以其殘余應(yīng)力分布較復(fù)雜。

 

應(yīng)力分布分析：Ms點隨截面上碳含量的降低而升高的，淬火時馬氏體首先在內(nèi)層開始的，因馬氏體相變會發(fā)生體積膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力，使表層和心部均受到拉應(yīng)力，而發(fā)生相變的部位受到壓應(yīng)力，由于這時心部溫度較高，表層為過冷奧氏體，容易發(fā)生塑性變形，從而使應(yīng)力得到部分松弛。而當(dāng)表面溫度下降至Ms點以下時，內(nèi)層相變已經(jīng)結(jié)束，成為不易變形的馬氏體組織。表層高碳馬氏體相變伴隨著更大的體積膨脹，會受到內(nèi)層的阻力，這時產(chǎn)生的應(yīng)力使得總應(yīng)力分布方向發(fā)生改變，除一部分與內(nèi)層相變引起的應(yīng)力抵消外，其表層受壓，心部受拉的殘余應(yīng)力為最終應(yīng)力分布狀態(tài)。

 

故表層殘留奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹受到了強(qiáng)烈阻礙，形成最終應(yīng)力分布的狀態(tài)。但是經(jīng)過金相觀察發(fā)現(xiàn)，該斷裂扭力臂銷在表層至0.3mm處仍有大量的殘留奧氏體未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。這樣引起的體積膨脹就小得多，而且殘留奧氏體塑性好，對周圍殘留奧氏體轉(zhuǎn)變的體積膨脹阻礙小，就無法消除內(nèi)層馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力，而使應(yīng)力反向。因此使表層受到拉應(yīng)力。隨著溫度降低，心部組織為粒狀貝氏體，為正火組織，可見心部未發(fā)生明顯相變，因此產(chǎn)生較小應(yīng)力甚至不產(chǎn)生應(yīng)力，而使內(nèi)層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。

 

由上述分析可以看出，該扭力臂銷的最終應(yīng)力分布狀態(tài)為表層為拉應(yīng)力，內(nèi)部存在壓應(yīng)力。同時最大拉應(yīng)力位于表面，這就為該斷裂扭力臂銷的縱向斷裂提供了力學(xué)條件。

 

5）裂紋源分析

依據(jù)斷口的放射條紋，在后續(xù)的分析中，找到了此次斷裂的裂紋源，裂紋源距外表面18mm。對該裂紋源的條狀區(qū)域進(jìn)行能譜及斷口分析。由能譜分析可以看出該條形物質(zhì)為以Al2O3類夾雜為主的夾雜物，并含少量鈣元素，尺寸較大且形狀不規(guī)則。且該夾雜物與基體的過渡區(qū)域存在大量孔洞，組織疏松較嚴(yán)重，如圖11a所示。看出該斷口呈沿晶脆性斷裂特征，晶界上有較多呈不連續(xù)的球狀碳化物析出。

 

6）斷裂過程分析

從以上分析可以看出，該扭力臂銷在表面拉應(yīng)力區(qū)域存在較大尺寸的夾雜物，破壞了基體組織的連續(xù)性，易形成應(yīng)力集中。且夾雜物附近組織存在較多量的孔洞，大大降低了晶間結(jié)合力，這些孔洞會在拉應(yīng)力作用下會慢慢聚集擴(kuò)展，形成微裂紋，最終導(dǎo)致扭力臂銷的縱向斷裂。

 

7）工藝試驗結(jié)果分析

首次工藝改進(jìn)試驗出現(xiàn)的小批量扭力臂銷縱向斷裂，通過失效分析發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部存在大尺寸夾渣，是其斷裂的主要因素，這就要求加強(qiáng)對毛坯的內(nèi)部缺陷的質(zhì)量控制。但是就工藝驗證角度來看，該扭力臂銷的表層組織粗大，殘留奧氏體含量達(dá)40%，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時在該工藝參數(shù)下，由于組織應(yīng)力導(dǎo)致的表層拉應(yīng)力，內(nèi)層壓應(yīng)力的應(yīng)力分布具有很大危害性，會對使用壽命造成較大影響。

 

3.工藝改進(jìn)

 

針對性的對工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，即控制表層殘留奧氏體含量與細(xì)化表面組織。自滲碳溫度降至淬火溫度直接淬火，合金碳化物的析出要克服一定的勢壘，因此相對與重新加熱淬火，即使在相同的溫度淬火，直接淬火時過冷奧氏體固溶的合金含量較高。降低擴(kuò)散碳勢，能有效控制淬火后表層殘留奧氏體含量；降低滲碳溫度與淬火溫度，細(xì)化表面組織。

依據(jù)TB/T 2254測得，表面組織3級（見圖13a），殘留奧氏體含量25%，心部組織6級；同時表面硬度59.5HRC，有效硬化層深度2.5mm，符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

4.結(jié)語

 

1）在保證原材料質(zhì)量的前提下，改進(jìn)后的降溫淬火工藝完全滿足軸類件滲碳淬火的質(zhì)量要求。

2）降溫淬火工藝大大提高了生產(chǎn)效率，降低了20%的生產(chǎn)成本，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

3）在扭力臂銷裝機(jī)運行的幾年時間里，該部件未出現(xiàn)一例失效事故，也很好的驗證了工藝的有效性。