轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件枝丫結(jié)構(gòu)淬火裂紋形成機(jī)理

楊 杰， 汪 西， 周 杰， 武建祥， 屈志遠(yuǎn)， 代合平， 彭海軍

(1. 湖北三環(huán)鍛造有限公司， 湖北 襄陽 441700;2. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400044; 3. 重慶杰品科技股份有限公司， 重慶 401329)

42CrMo鋼屬于中碳低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼[1-3]，常用于制造汽車轉(zhuǎn)向節(jié)。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上安全等級(jí)較高的關(guān)鍵零部件，承受復(fù)雜多變的沖擊載荷，要求具有較高的綜合力學(xué)性能。隨著節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，轉(zhuǎn)向節(jié)向著輕量化、結(jié)構(gòu)和功能精細(xì)化方向發(fā)展，這就造成轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件拔模斜度小、各部分之間過度圓角小，結(jié)構(gòu)尺寸變化大的特點(diǎn)[4]。由于轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件結(jié)構(gòu)差異大、淬火條件苛刻等原因，常常導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件淬火后出現(xiàn)裂紋。

以某商用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)為例，原材料為42CrMo鋼，其生產(chǎn)工藝流程為鍛造—切邊—調(diào)質(zhì)—機(jī)加工；技術(shù)要求為鍛件軸部距表面15 mm處抗拉強(qiáng)度為900～1100 MPa，伸長(zhǎng)率≥12%。該轉(zhuǎn)向節(jié)裂紋常常出現(xiàn)在調(diào)質(zhì)之后，若采用普通PVP淬火劑進(jìn)行淬火，則鍛件的淬透層深度太淺，回火后的力學(xué)性能無法滿足使用要求，因此需要采用淬火烈度更高的淬火劑進(jìn)行淬火。PAG水基淬火劑的淬透性能介于水和油基淬火劑之間，所以采用PAG淬火劑對(duì)該轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行淬火，從而滿足轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件特定檢測(cè)位置處的力學(xué)性能要求[5-6]。本文通過對(duì)該型號(hào)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的宏觀結(jié)構(gòu)和裂紋區(qū)域微觀組織進(jìn)行分析，結(jié)合鍛造、淬火工藝過程的數(shù)值模擬，著重研究了該型號(hào)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件在淬火過程中產(chǎn)生裂紋的原因。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件淬火裂紋

1.1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件結(jié)構(gòu)

圖1為某轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的三維結(jié)構(gòu)，其桿部長(zhǎng)210 mm，桿部上面連接兩個(gè)“耳朵”結(jié)構(gòu)，分別稱為高耳和低耳，高耳高120 mm，低耳高85 mm。高耳和低耳旁邊分別連接1個(gè)和2個(gè)“枝丫”結(jié)構(gòu)，為了加以區(qū)分，將高耳旁邊的“枝丫”稱為單枝，低耳旁邊的“枝丫”稱為雙枝，單枝長(zhǎng)100 mm、寬45 mm、高41.6 mm，雙枝長(zhǎng)70 mm，寬度、厚度與單枝相同。分析該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)耳朵與枝丫的過度圓角為R10 mm，兩部分在結(jié)合處的幾何形狀變化大。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的三維結(jié)構(gòu)Fig.1 3D structure of the steering knuckle forging

1.2 淬火裂紋位置及宏微觀形貌

實(shí)際生產(chǎn)中，該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件采用PAG水基淬火劑，利用鍛后余熱進(jìn)行淬火，淬火設(shè)備為連續(xù)淬火爐。淬火工藝如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造、切邊后放入連續(xù)淬火爐，經(jīng)820 ℃和840 ℃兩個(gè)溫度區(qū)間保溫140 min 后進(jìn)行淬火。淬火后常常在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝處出現(xiàn)裂紋，如圖2(b)所示，裂紋一共有兩條：一條與單枝長(zhǎng)度方向平行，稱為縱向裂紋；另一條出現(xiàn)在高耳與單枝結(jié)合圓角根部，大致與單枝長(zhǎng)度方向垂直，稱為橫向裂紋。

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件淬火工藝(a)與淬火后裂紋出現(xiàn)位置及形狀(b)Fig.2 Quenching process(a) and quenching crack positions and shapes(b) of the steering knuckle forging

圖3為轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝縱向裂紋的宏觀形貌，可見，裂紋在表面擴(kuò)展方向的長(zhǎng)度約為45 mm，在深度擴(kuò)展方向上的最深處約10 mm；裂紋末端尖銳，整個(gè)裂紋寬度較小，裂紋末端尖直，與典型淬火裂紋結(jié)構(gòu)非常相似。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝縱向裂紋的宏觀形貌(a)表面擴(kuò)展方向；(b)深度擴(kuò)展方向Fig.3 Macromorphologies of longitudinal crack at single branch of the steering knuckle forging(a) surface propagation direction; (b) depth propagation direction

圖4為轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝縱向裂紋沿深度方向的微觀形貌。由圖4(a)可見，在距離裂紋約2 mm處觀察到呈黑色彎曲線條形狀的非金屬夾雜，鍛造使原材料中的金屬夾雜發(fā)生了彎曲。由圖4(b)可見，在裂紋附近觀察到呈曲折線條形狀的非金屬夾雜，夾雜長(zhǎng)度方向與裂紋表面擴(kuò)展方向大致相同，夾雜具有明顯的方向性。根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行分析可知，圖4(a)中的夾雜端部呈圓角，為A類硫化物類粗系夾雜，夾雜長(zhǎng)度約為300 μm，夾雜等級(jí)為1.5級(jí)；圖4(b)中的夾雜端部尖銳，為C類硅酸鹽類粗系夾雜，夾雜長(zhǎng)度約為500 μm，夾雜等級(jí)為2.5級(jí)。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝縱向裂紋的微觀形貌(a)距裂紋2 mm處；(b)裂紋附近位置Fig.4 Micromorphologies of longitudinal crack at single branch of the steering knuckle forging(a) 2 mm from the crack; (b) vicinity of the crack

圖5為轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝縱向裂紋的顯微組織?？梢?，在裂紋表面擴(kuò)展方向和深度擴(kuò)展方向上的顯微組織均為回火索氏體+少量鐵素體，根據(jù)GB/T 13320—2007《鋼制模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》評(píng)定顯微組織等級(jí)為3級(jí)，且裂紋處無氧化脫碳，可確定該裂紋為淬火裂紋。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝縱向裂紋處的顯微組織(a)表面擴(kuò)展方向；(b)深度擴(kuò)展方向Fig.5 Microstructure of the longitudinal crack at the single branch of the steering knuckle forging(a) surface propagation direction; (b) depth propagation direction

另外，轉(zhuǎn)向節(jié)橫向裂紋的宏觀形貌、顯微組織與縱向裂紋相似，微觀形貌中夾雜方向與裂紋表面擴(kuò)展方向垂直，夾雜被裂紋切斷。

1.3 裂紋形成原因分析

鍛件淬火時(shí)存在易出現(xiàn)淬火裂紋的危險(xiǎn)臨界尺寸，該危險(xiǎn)尺寸與淬火劑特性和淬火工藝有關(guān)。研究表明[7]，42CrMo鋼油淬的危險(xiǎn)尺寸為φ36～41 mm，水淬危險(xiǎn)尺寸為φ45～50 mm。PAG水基淬火劑的淬透性能介于水和油基淬火劑之間，因此其淬火危險(xiǎn)尺寸應(yīng)介于上述危險(xiǎn)尺寸之間[4]。該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝寬45 mm，高41.6 mm，剛好處于危險(xiǎn)尺寸范圍內(nèi)，所以易出現(xiàn)淬火縱向裂紋。另外，該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件高耳高120 mm，厚90 mm，高耳與單枝過度圓角R10 mm；高耳與單枝結(jié)構(gòu)差異大，結(jié)合部位形狀變化劇烈，因此在淬火過程中，易在結(jié)合部位形成應(yīng)力集中，造成單枝淬火橫向裂紋。圖2中橫向裂紋出現(xiàn)位置在高耳與單枝過度圓角底部，該位置恰好是鍛件形狀變化劇烈的地方。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件鍛造、淬火工藝數(shù)值模擬

2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件鍛造模擬

在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件縱向裂紋處低倍形貌觀察中，發(fā)現(xiàn)了帶狀?yuàn)A雜且呈現(xiàn)一定方向性；帶狀?yuàn)A雜在經(jīng)過酸煮或酸蝕后會(huì)呈現(xiàn)出一條條的流線，稱為金屬流線。由于鍛件組織中金屬流線的存在，會(huì)使其力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，垂直于金屬流線方向和平行于金屬流線方向的塑性、韌性有明顯的差別。變形量越大，垂直于金屬流線方向的塑性、韌性下降越明顯，其力學(xué)性能各向異性越嚴(yán)重[8]。

鍛造數(shù)值模擬仿真軟件除了可以準(zhǔn)確模擬鍛件的充填性能、預(yù)測(cè)折疊產(chǎn)生趨勢(shì)外，還可以對(duì)鍛件金屬流線的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行模擬[9]。結(jié)合鍛造數(shù)值模擬仿真軟件，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件鍛造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件對(duì)稱面金屬流線分布，如圖6所示。由圖6可知，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝金屬流線方向與長(zhǎng)度方向平行，與圖4所示非金屬夾雜的形態(tài)吻合。由于單枝金屬流線分布具有一定方向性，因此單枝各向異性差異較大，垂直于流線方向力學(xué)性能差。鍛件淬火時(shí)，當(dāng)淬火應(yīng)力達(dá)到單枝的強(qiáng)度極限時(shí)，單枝沿流線方向開裂。由于單枝上表面流線間距小于下表面，因此單枝上表面金屬變形量大于下表面，單枝沿上表面開裂的傾向大于下表面，所以在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)單枝開裂往往出現(xiàn)在單枝上表面，且單枝裂紋沿長(zhǎng)度方向擴(kuò)展。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件對(duì)稱面的金屬流線分布Fig.6 Metal streamline distribution on symmetrical surface of the steering knuckle forging

2.2 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件淬火模擬

不同淬火劑的冷卻特性不同，在進(jìn)行淬火工藝的數(shù)值模擬前需要獲知具體的淬火工藝參數(shù)及在該淬火工藝條件下，零件表面與淬火液的綜合熱交換系數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件加熱至840 ℃保溫140 min后采用PAG水基淬火液進(jìn)行淬火，淬火劑濃度3%～5%，淬火液溫度為40 ℃。通過反傳熱法可以獲得試樣與淬火液在不同溫度時(shí)的綜合熱交換系數(shù)[10-12]，其原理是：通過淬火試驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)出試樣淬火時(shí)內(nèi)部某點(diǎn)的冷卻曲線，再將試樣模型與檢測(cè)數(shù)據(jù)帶入到數(shù)值模擬軟件中，通過逆向求解得出材料在特定淬火劑和淬火工藝條件下的綜合熱交換系數(shù)。

淬火試驗(yàn)所用設(shè)備為專用淬火劑淬火特性檢測(cè)設(shè)備，試驗(yàn)探頭為Inconel 600鎳基高溫合金材料，該材料的熱阻與熱熔比42CrMo鋼略低，用該材料測(cè)得的冷卻曲線可作為42CrMo鋼冷卻曲線的參考。探頭形狀為φ12.5 mm×60 mm的圓柱體，探頭一端面中心打有一小盲孔，通過盲孔將熱敏電偶置入探頭中心采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出淬火冷卻曲線，如圖7(a)紅色曲線所示。將冷卻曲線帶入到數(shù)值模擬軟件中，采用反傳熱法計(jì)算得到試樣表面綜合換熱系數(shù)，如圖7(b)所示，從圖7可知，在350 ℃時(shí)試樣表面綜合換熱系數(shù)出現(xiàn)最大值，約為4.7 N/(s·mm·℃)；模擬過程通過反傳熱法得到冷卻曲線并不斷縮小擬合冷卻曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，最終得到試樣中心冷卻曲線，如圖7(a)綠色曲線所示，對(duì)比試驗(yàn)檢測(cè)獲得的冷卻曲線和模擬獲得的冷卻曲線，發(fā)現(xiàn)模擬曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，因此認(rèn)為通過反傳熱法獲得的試樣表面綜合換熱系數(shù)較為準(zhǔn)確。

圖7 淬火冷卻曲線(a)與綜合熱交換系數(shù)曲線(b) Fig.7 Cooling curves(a) and heat exchange coefficient curve(b) in quenching process

將轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的三維模型和反傳熱法獲得的綜合熱交換系數(shù)導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中，再根據(jù)實(shí)際淬火工藝進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，得出淬火過程中轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、顯微組織分布等情況。淬火冷卻102 s時(shí)，高耳和單枝結(jié)合部位的溫度場(chǎng)分布、馬氏體組織場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布如圖8所示。由圖8(a, b)可知，此時(shí)單枝整體溫度在230 ℃以下，冷卻均勻，馬氏體含量在75%以上，馬氏體含量梯度較小；高耳心部最高溫度627 ℃，表面溫度達(dá)到176 ℃以下，高耳溫度場(chǎng)梯度大，高耳心部組織尚未開始轉(zhuǎn)變形成馬氏體，表面冷卻充分的局部馬氏體含量達(dá)到87.5%以上，高耳馬氏體場(chǎng)梯度大。單枝和高耳結(jié)合部位形狀變化大，溫度場(chǎng)、馬氏體場(chǎng)梯度大，在結(jié)合部位的溫度場(chǎng)、馬氏體場(chǎng)分布不均勻會(huì)引起淬火應(yīng)力集中，如圖8(c)所示。可見，結(jié)合部位圓角根部最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力，在150～200 MPa之間，其他部位最大主應(yīng)力較小。對(duì)結(jié)合部位圓角根部應(yīng)力值較大的3處(圖8(c)中P1、P2、P3處)在淬火過程中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8(d)所示?？梢姡@3處在淬火過程中的最大主應(yīng)力均出現(xiàn)了2個(gè) 峰值，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)向節(jié)鍛件在淬火過程中除了由熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生因相轉(zhuǎn)變不同時(shí)性引起的組織應(yīng)力[13]。在淬火過程中，結(jié)合部位首先發(fā)生奧氏體單相冷卻，表面熱應(yīng)力急劇增大，形成第1個(gè)拉應(yīng)力峰值；之后結(jié)合部位由表面向心部開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體膨脹導(dǎo)致表面拉應(yīng)力逐漸釋放直到表面受壓，最大主應(yīng)力形成第一個(gè)波谷；最后馬氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)行到一定程度時(shí)，表面馬氏體冷卻形成拉應(yīng)力，在淬火冷卻到102 s左右時(shí)形成第二個(gè)波峰，此時(shí)由于結(jié)合部位形狀變化大，淬火過程中受力情況復(fù)雜，而馬氏體硬而脆，易因組織應(yīng)力集中而產(chǎn)生橫向裂紋。

圖8 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝處淬火冷卻102 s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果(a)溫度場(chǎng)；(b)馬氏體場(chǎng)；(c)最大主應(yīng)力場(chǎng)；(d)最大主應(yīng)力曲線Fig.8 Numerical simulation results at single branch of the steering knuckle forging when quenching for 102 s(a) temperature field; (b) martensite field; (c) maximum principal stress field; (d) maximum principal stress curves

3 結(jié)論

1) 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)100 mm、寬45 mm、厚41.6 mm，處于淬火危險(xiǎn)尺寸范圍，且單枝處金屬流線方向與單枝長(zhǎng)度方向平行，并存在沿金屬流線方向的夾雜，造成單枝各向異性嚴(yán)重，垂直于流線方向的力學(xué)性能較低，淬火時(shí)易形成縱向裂紋。

2) 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件單枝與高耳結(jié)合部位在淬火過程中的溫度場(chǎng)、馬氏體組織場(chǎng)分布梯度大，易導(dǎo)致淬火應(yīng)力集中，形成淬火橫向裂紋。