控制热挤压缺陷的难点与对策

2015-11-16裴腾鹏李丽芳葛林静蔡海涛

金属加工(热加工) 2015年3期

裴腾鹏，李丽芳，葛林静，蔡海涛

我公司是国内规模最大的汽车轴头生产企业之一，轴头用于重型载货汽车后桥两端支承，工作环境复杂，既要考虑载重和瞬间冲击影响，又要承受复杂的交变应力与疲劳循环应力的交变作用，属I类安全件。

轴头产品通常要经过下料→热挤压→粗机加→热处理→精加工四个主要生产过程。在20余年的加工历史中，热挤压既是我们核心技术，同时也是质量控制的难点。根据质量管理体系要求，我们把热挤压工序定义为特殊过程，并对这个过程及时展开缺陷分析与对策方案解决工作，下面结合轴头热挤压时产生的缺陷实例进行分析，并提出有效的解决方案。

轴头在热挤压生产过程中的缺陷主要有：晶粒粗大、折叠、环裂等，因不易直接检测被发现，所以成为质量控制难点。

在这里特指晶粒度5级以下（按GB/T6394测定）。我公司对轴头的晶粒度一直按5~8级控制，其与坯料加热温度及时间有直接关系，热挤压工艺要求加热温度和时间随轴头毛坯的重量（7~47kg）及材质而定，温度控制范围在1100~1200℃，时间为50~140s。

（1）晶粒度超标（1~4级）晶粒度4级。

危害：根据我厂多年实践验证，4级晶粒度直接决定着后续的热处理质量，因晶粒粗大，淬火时形成的淬火马氏体晶间存在着明显的显微裂缝，可能会导致淬火开裂，即使无裂纹，对调质后轴头力学性能也有着决定性影响，粗大的晶粒可能会降低轴头的抗拉强度及屈强比，冲击值也将大幅下降，一般KU2＜40J/cm2，若装配使用，汽车通过起伏不平的路面时，可能会在瞬间发生“脆断”。

对策：控制加热时间及温度，增加温控时间继电器及超温报警装置。晶粒粗大是由于热挤压加热温度过高或保温时间过长造成的，通过增加正火工序可起到细化晶粒的作用，通过再次高倍检测，当晶粒度达到5级以上，可转入下道工序。

晶粒度1~3级，如图1所示。危害及对策：此时工件内部晶粒晶界上可能已出现局部熔化和氧化现象，轴头毛坯外观或已出现撕裂状，只能做报废处理。

（2）折叠折叠是金属变形过程中已氧化过的表层金属汇合到一起而形成的。就轴头产品来说，热挤压后折叠的形状与裂纹相似，多发生在内孔，其是在热挤压时由上下两股金属对流汇合而形成的，严重时可贯通于整个壁厚，如图2所示。

图 1 500×

图 2

危害：通过低倍组织检查，可以发现从轴头内表面到内部折叠构成一条明显的隆起线，我们可称之为折纹，从表面到折纹结束的距离即折纹的长度称为折叠深度。

折叠对轴头的后续加工与内在质量都有严重影响，首先折叠在后续热处理淬火时易造成延伸以致贯通开裂，如图3所示。其次折叠深度＜1mm时，不易在随后探伤工序中发现，若装配使用后会形成应力集中，形成疲劳源，在疲劳循环应力的交变作用下最终导致开裂。

微观形态与判定方法。断口分析，在金相显微镜上观察可知，如图4所示。裂纹顺着流线且有脱碳，说明是热挤压时形成的折叠。

流线之间有脱碳，且已形成内裂纹。流线与裂纹方向一致，裂纹完全没有切割流线。表明裂纹是折叠性质（见图5）。

对策：折叠多发生在轴头法兰成形工序，部位在轴头中部，此处正是热冲压时上下两股金属流汇合处，这是由于模具调整不合适及润滑不够，或热挤压工序间变形量选择不当造成的。根据经验，小于10k g且壁厚＜15mm轴头毛坯易发生此种现象，所以对此我们有以下对策：①模具试生产时，首件必须做低倍折叠检验（流线检查），每件必须内外观检查，流线检查不合格必须增加热冲压工序，减少工序间变形量。②对坯料进行外观检验，去除毛刺、飞边等到缺陷。③在石墨乳润滑剂中加入10%~15%的油酸，加强润滑效果。

（3）环形裂纹轴头坯料在热冲压时，由于坯料加热不当或坯料热挤压时，在外力作用下，变形过程中局部或整体被冲压撕裂的现象，表征为环形，多出现在内孔（见图6）。

危害：环形裂纹对轴头质量影响同折叠缺陷相似，同样体现在热处理工序。且＜1mm深度的裂纹不易发现，在使用中由于交变载荷作用，该缺陷会逐步扩大，使轴头有效载荷面积不断缩小，最终形成失效断裂。但环形裂纹若被及时发现，通过机加手段消除，可满足后续工序要求，这也是其与折叠的显著差别。

微观形态与判定方法。在金相显微镜上观察可知：从内孔边缘0.9mm处开始一直到向外径方向延伸的5mm深度范围内，均有块状及条状氧化物夹杂的分布，并可见连续分布的长条状全脱碳（见图7）。这些氧化物夹杂是在热挤压过程中形成的缺陷（见图8）。

对策：轴头热挤压时的环形裂纹多发生在冲孔工序，部位在法兰下部，产生的原因为模具调整不当，坯料悬空，冲孔工序形成了正挤压，就会形成环形裂纹。或者坯料加热时加热速度过快，造成内、外加热不均匀。具体为：①控制加热时间及温度，增加温控时间继电器及超温报警装置。②将冲孔模具工作尺寸适当扩大，保证坯料与模具下支承容易接触。③通过以上对轴头热挤压工序产生缺陷的分析和解决对策方案的实施，可有效提高产品质量。