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柴油机连杆裂纹主要原因剖析 |
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作者：辽宁-利勃海尔柴油机公司 戴凤梅 张芳 |
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连杆是柴油机用五大件之一，我厂生产的L195型柴油机连杆所选用的材质为45#钢。它的工艺流程为：锻造成型—正火—粗加工—调质处理—喷砂—校直—精加工—组装。
为了保证连杆的使用性能，要求它具有较高的强度，较好的耐磨性，足够的塑性、韧性以及相应的抗疲劳性等。多年实践表明，通过调质处理，可以满足以上的要求。因为调质处理可以细化晶粒，获得均匀的具有一定弥散度和综合机械性能的细密球状珠光体—回火索氏体。
但是，连杆在调质过程中，有时产生裂纹，其废品率最多可达12%，裂纹的位置分别在小头部、杆侧面、槽内圆角处。为了保证连杆的质量，下面从热处理工艺的选择和钢的原材料等几个方面进行剖析。
1 技术要求
(1)化学成份
C:0.42～0.50%；Si:0.17～0.37%;Mn:0.50～0.80%;P≤0.04%;S≤0.04%；Cr≤0.25%;Ni≤0.25%
(2)机械性能 HB217～293
(3)金相组织 为较均匀的索氏体，允许有少量断续、网状分布的铁素体。
2 热处理工艺参数的影响
在现实生产中，选择连杆的调质工艺如图1所示。
图1 45#钢连杆调质工艺曲线
2.1 加热温度
45#钢是低淬透性钢，且由于它的MS点较高，淬火后，组织应力很大。而且，淬火时片状马氏体也占了相当的数量，所以，很容易淬裂。如果热处理不当，极易有裂纹产生。但是，淬火开裂的原因是多种多样的，过热是主要原因之一，所以选择淬火温度很主要。
制定淬火加热规范的主要依据是材料 的AC3点温度。我们将《热处理手册》第四分册中各中碳钢的AC3点联成曲线，即AC3线如图2所示。我们又选用了35钢、40钢、45钢、50钢、55钢加热，5～10%盐水淬火做试验，然后用金相法结合硬度值确定相应钢种的AC3温度，见图2。从图2中看出：含碳量从0.45～0.50%范围内出现了一个陡降的低谷，最低点在0.48%C处。此时，AC3约为750～760℃，而0.42%C钢AC3=780℃，所以45#钢含碳量在下限时选用840℃加热淬火，而含碳量在上限时仍选用840℃加热淬火，就容易因过热而产生淬火裂纹。
图2 部分钢的AC3线
加热温度过低，奥氏体晶粒均匀化程度不好，而且部分铁素体不能溶解于奥氏体，淬火后得到马氏体加块状铁素体混合组织，硬度不高，机械性能不好，达不到淬火的目的。
由以上分析我们可以看出，同样是45#钢，由于批次不同，其含碳量有差异。所以，同为45#钢的零部件，在淬火前要进行化学成份分析，根据其变化，选择最为适当的加热温度。我们把这种做法称之为连杆淬火工艺的跟踪分析，通过采用这种方法，使连杆的裂纹大大减少。
2.2 保温时间
淬火是为了得到均匀一致的组织和所要求的机械性能，除了严格控制加热温度外，正确地确定保温时间也是一个极为重要的问题，它取决于工件的大小、形状、钢的化学成份，原始组织及装炉情况等，但保温时间的选择应能保证组织转变的完成并能使奥氏体成份均匀。因此，保温时间要足够长，保温时间过短，奥氏体晶粒均匀化程度不好，影响淬火质量。不过，保温时间又不能过长，否则，零件表面氧化脱碳程度加大，同样影响了淬火质量。实际生产中，连杆保温时间我们选择为60～90min。
2.3 冷却速度
热处理工序有两个重要的组成环节，即加热与冷却。工件冷却时所采用的冷却介质及冷却方式对热处理后的工件质量起着重要作用。许多热处理缺陷如：变形、开裂、硬度不足等，往往因冷却介质和冷却方式选择不当所致。因此，冷却介质的选择也是连杆产生裂纹的重要因素。
由于加热至奥氏体状态的工件必须在冷速大于临界淬火速度情况下，才能得到预期马氏体组织，即希望在C曲线鼻子附近的冷速越大越好。但在MS点以下，为了减少因马氏体形成而造成组织应力，又希望冷却小些，图3为几个淬火介质的淬火冷却曲线，其中A为理想淬火冷却曲线，它既能保持工件淬火，又不致于引起太大的变形，能减少淬火裂纹的产生。
图3 几种介质淬火冷却曲线
A为理想淬火介质冷却曲线； B为水的淬火冷却曲线； C为油的淬火冷却曲线。
在连杆调质处理中我们选用的是40℃，5～10%的盐水溶液，这种淬火介质，在鼻子附近的冷却速度较大，完全满足理想要求。但在低温200～300℃之间的冷速大些(大于理想要求)，由于实际生产的一些原因，没有改变。在此，建议用114淬火剂为宜。
3 原材料的影响
为了分析原材料的影响，我们首先回顾一下淬透性的内容，所谓钢的淬透性，是钢经过加热奥氏体化后，接受淬火的能力，它表示钢淬火后从表面到心部的硬度分布情况，钢的淬透性是钢本身所固有的属性，它与钢的化学成份、原始组织、晶粒度以及零件的尺寸等有关，但主要与钢的化学成份有关。
钢的淬透性已成为选用钢材及生产上制订工艺规程的主要依据之一，这是因为钢淬火时完全淬透，则沿其截面的性能将是一致的，如果淬火时不能完全淬透则自表面向中心的性能就会不同，但是钢的淬透性愈大，转变为马氏体的体积变化也愈大，即在淬火时工件发生的变形及应力也愈大。当淬火应力超过其断裂极限时，就会产生裂纹。
3.1 化学成份的影响
我们生产的L195柴油机连杆的材质为45#钢、45#钢属优质碳素结构钢，实际生产中，化学成份超标现象也偶有发生，其中起主要作用的元素有Si.Mn.P.S.Cr.Ni。合金元素基本上不影响马氏体的硬度，对于强度的影响也不大，合金元素对马氏体的主要作用是明显地提高马氏体的塑性。实践表明，碳钢马氏体中碳的分布是不均匀的，这会引起应力的不均匀分布，从而降低塑性，加入合金元素以后，可以使马氏体中的碳分布均匀化，因此，改善塑性。但大多数合金元素(Cr.Mn.Si)只是在含量不超过一定的极限时，才增加马氏体的塑性，超过极限后，将降低马氏体的均匀性，使塑性和断裂强度降低，所以我们既希望钢中有合金元素，但又不可过多。
Si.Mn.Cr.Ni都能增加钢的淬透性，对淬透性的作用依次为：Mn.Cr.Si.Ni。不过，越提高钢的淬透性，钢的淬裂危险性越大，并且，当合金元素含量超过一定量时，则会降低钢的淬透性。S.P是钢中有害杂质，钢中含有这两种元素要尽可能降低。
3.2 显微组织的影响
这里主要探讨钢的晶粒度、魏氏组织及带状组织的影响。
从马氏体形成原理看出，显微裂纹主要是在粗大的马氏体中形成的，而当马氏体非常细小时，则很少出现显微裂纹，细小奥氏体晶粒可减少钢的显微裂纹。在奥氏体比较均匀的情况下，初期形成的马氏体片的长度和奥氏体的晶粒大小有关，粗大的奥氏体晶粒形成粗大马氏体，易促成显微裂纹形成。
生产中，我们要求连杆在调质处理之前的预备处理为正火，这样做的目的是在调质处理前获得比较均匀、细小的原始组织，减少甚至避免显微裂纹的产生。
在亚共析钢中分布特殊而呈片状的铁素体称为魏氏组织，魏氏组织及与其伴生的粗晶组织会使钢的机械性能，尤其是塑性和冲击韧性显著降低，所以我们要求魏氏组织不大于2级。
另外，钢中显微缺陷—带状组织、非金属夹杂物的存在是淬火裂纹的根源，所以生产中连杆调质之前，不希望存在这些缺陷。
3.3 宏观缺陷的影响
工艺要求连杆纵剖面的宏观组织中，纤维方向应沿着连杆中心线并与外形相符，不得有紊乱及间断，但实际生产中，有许多连杆从杆侧面形成横向裂纹，出现这种裂纹的连杆其落刺量很大。正常正火、淬火后，落刺部位的纤维流向出现的紊乱、间断不能消除。以此可见淬火过程中，有较大应力而产生裂纹。
因此，工艺上要求连杆的纤维流向外，还不允许连杆有折叠、裂纹、分层、夹渣等缺陷，以消除淬火裂纹源。
3.4 外观形状的影响
连杆槽内圆角要求为R5，但我们对产生裂纹的连杆进行实际检测，槽内有裂纹的连杆，其圆角基本不符合要求，也就是说，外形槽内无圆滑过渡的圆角，在淬火中，产生很大的淬火应力，而易产生淬火裂纹。这是由于外形尺寸影响钢的淬透性。棱角、无圆滑过渡圆角的零件，淬火后淬火应力增强，故易在槽内圆角处出现裂纹。
4 结论
连杆的调质处理在淬火过程中，产生裂纹主要因素有：加热温度、材料的晶粒度、纤维流向、外形尺寸等。防止措施为：
(1)45#钢，当含碳量0.48%时，AC3陡降现象，我们根据每批连杆的化学成份不同，制定不同的加热温度。
(2)确保连杆在调质前的供货组织为正火组织，晶粒度不大于3级。
(3)确保连杆纤维方向沿着连杆中心线并与外形相符，不得有紊乱及间断，不允许有折叠、裂纹、分层、夹渣等缺陷。
(4)要求连杆外形符合图纸要求，尤其槽内圆角应保持R5，过渡圆滑。
(end)
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(6/2/2004) |
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