軌道車輛牽引桿表面裂紋成因分析及改進措施

王燕玉，李亞軍

（株洲時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90%，其中50%的裂紋肉眼可見，造成產(chǎn)品批量報廢。為降低質(zhì)量損失、消除后續(xù)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量風險，需對產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋的成因進行分析，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)。對于結構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為材料內(nèi)部存在夾雜物超標、縮松或縮孔等冶煉缺陷。鍛造過程引起裂紋的主要原因為加熱過程不當、工件變形異常、鍛后冷卻過程不當、熱處理過程不當?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構牽引桿表面裂紋的成因進行詳細分析，并制定切實有效的控制措施，給其他類型復雜結構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理，首先應了解產(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，材料標準為EN 10083-1 : 2006，生產(chǎn)工藝流程為：原材料檢驗→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、熱處理過程進行調(diào)查分析，找出可能存在的原因，同步對裂紋位置進行金相分析，確定裂紋產(chǎn)生的真正原因或主要原因。

2.1 材料性能復查

經(jīng)查閱牽引桿原材料入庫檢驗記錄確認原材料入庫檢驗各項性能指標均合格，同時對裂紋部位取本體進行化學成分及力學性能分析，結果均合格，化學成分如表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)生折疊的風險，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 →回火→檢驗。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)生化學反應，致使工件表面的碳濃度降低，此時由工件表層開始，次層的碳不斷向表層擴散，溫度越高、加熱時間越長，脫碳層越厚。脫碳層的產(chǎn)生使淬火工件表面出現(xiàn)軟點，表面硬度和耐磨性降低，進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行，對淬火和回火過程的溫度和時間進行了嚴格的控制，冷卻介質(zhì)為專用淬火油，冷卻的溫度和時間也進行了嚴格的控制。實際淬火時，采用惰性氣體氮氣進行保護，防止工件表面脫碳的產(chǎn)生。產(chǎn)品實際熱處理過程控制中是否存在異常情況，還需要結合產(chǎn)品本身熱處理后的表面硬度、機械性能、脫碳層深度、金相組織等相關指標進行綜合分析。

2.4 裂紋區(qū)域金相組織分析

在產(chǎn)品本體上，垂直于裂紋方向進行切割取樣，進行金相分析。

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展，尾端尖細，有斷續(xù)狀細小尾巴，裂紋兩側有微小的次生裂紋。

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 凹槽處裂紋兩側脫碳層及微觀組織

（3）緊挨裂紋和遠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，裂紋兩側存在明顯脫碳，脫碳層深度可達520 μm；裂紋兩側微觀組織為均勻的回火索氏體。

圖7 內(nèi)孔壁處裂紋兩側脫碳層及微觀組織

（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，直至到達外表面。

（2）裂紋存在擴展現(xiàn)象可分為2 階段，具體如下。裂紋擴展階段1：裂紋頭部較寬，裂紋兩側存在明顯脫碳，脫碳層深度可達120 μm，如圖8所示；緊挨裂紋處晶粒較細，遠離裂紋處晶粒變粗，具體如圖9所示。裂紋擴展階段2：裂紋尾部纖細、剛健有力、尾端尖細，裂紋兩側無明顯脫碳，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；緊挨裂紋和遠離裂紋晶粒度無明顯差別，晶粒度為6 級。裂紋擴展階段1、2 交界處：裂紋突然由粗變細，由存在明顯脫碳變?yōu)闊o脫碳。

圖8 裂紋頭部形貌、兩側微觀組織及脫碳情況

圖9 裂紋頭部兩側的晶粒形貌

圖10 裂紋尾部形貌、兩側脫碳及微觀組織

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 由表面往里擴展，兩側未見脫碳，且有微小次生裂紋，裂紋尾端尖細，有斷續(xù)狀細小尾巴，符合淬火裂紋的典型特征，緊挨裂紋和遠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存在明顯脫碳，脫碳層深可達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，沿徑向往兩端擴展，擴展分2 個階段，在兩階段交界處，裂紋突然由粗變細，由明顯脫碳變?yōu)闊o脫碳。擴展階段一：裂紋較寬，兩側存在明顯脫碳，脫碳層深可達80～120 μm；緊挨裂紋晶粒相對較細，遠離裂紋晶粒變粗；推測該裂紋階段產(chǎn)生于淬火熱處理之前。擴展階段二：裂紋纖細、曲折、尾端尖細，兩側未見脫碳，緊挨裂紋和遠離裂紋晶粒度無明顯差別。推測該裂紋階段是在擴展階段一，即淬火熱處理之前既有裂紋的基礎上，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，將原鍛造工藝進行調(diào)整，具體為：圓鋼感應加熱→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%，驗證和確認了裂紋的原因分析精準，整改措施有效。針對后續(xù)鍛造產(chǎn)品的工藝設計過程，應盡量采用一次加熱鍛造工藝，若因產(chǎn)品結構復雜需增加鍛造次數(shù)，則需在每次鍛造完成后對產(chǎn)品表面的缺陷進行徹底的清除。

4 總結

通過本研究對改型異型鍛造牽引桿產(chǎn)品的裂紋成因進行分析，找到了裂紋缺陷產(chǎn)生的主要原因，并提出適當?shù)慕鉀Q方法，通過實際生產(chǎn)的驗證，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。