球头销裂纹分析

文/ 张军改·邯郸峰驰精密制造有限公司，河北省楔横轧技术创新中心

球头销是汽车的安保件，关系到驾乘人员的生命安全，如有缺陷，尤其是裂纹缺陷，将严重影响汽车的安全状态，进而影响人的生命安全，因此严格控制球头销出现裂纹显得愈加重要。

我公司生产的40Cr材质球头销楔横轧件，毛坯图如图1所示，外委调质时发现批量裂纹，更换调质厂家仍有批量裂纹出现(图2)，经过大量分析验证，找到了裂纹原因。

图1 球头销毛坯图

图2 球头销调质后表面裂纹

问题描述

我公司生产的40Cr球头销楔横轧件，其工艺流程为：原料锯切→坯料中频加热→楔横轧制→正火→成品锯切→平头打孔→外委调质→标识发货。调质要求表面硬度28HRC～32HRC，心部硬度不小于25HRC，金相组织要求回火索氏体不大于4级。取样部位如图3所示，表面硬度为将斜杆车光后，在外圆面打硬度；心部硬度及金相为将球头销沿球头和斜杆交界的脖子部位横向切开，在球头横断面上打心部硬度，做金相。

图3 取样位置

该产品调质工序为委外处理，先后有3个调质厂家对我公司的产品进行了调质处理。第一家(简称：厂家1)为连续网带式调质炉，淬火液冷却；第二家(简称：厂家2)为半连续网带式调质炉，即淬火和冷却是连续的，淬火液冷却，回火炉为推杆式电加热炉；第三家(简称：厂家3)为连续网带式调质炉，淬火液冷却。

厂家1：调质批次10批，前9批未发现裂纹产品，最后一批在取样检验时，共计取样5件，发现2件裂纹，后对其调质件全部探伤，约有7%左右的裂纹产品。

厂家2：由于是新更换的调质厂，从样件开始试验，然后小批量生产，最后批量生产，对其调质的所有产品磁粉探伤，裂纹率在10%左右。

厂家3：厂家1、厂家2出现裂纹无法解决后，找到第三家调质厂，该厂自供货至今已3个多月，未出现裂纹产品。

问题排查

调查了解

⑴厂家1使用连续式网带炉进行调质，在最后一批调质时，出现了裂纹，与其沟通得知，调质件一直存在金相不是很理想，心部存在铁素体，硬度还偏下限等问题，为了提高硬度，减少金相组织中的未溶铁素体，将加热温度由850℃提高到了860℃，其他工艺未变。

⑵厂家2使用半连续网带炉，淬火和冷却是连续的，淬火产品达到一定数量时，再在推杆炉中回火处理。经了解：1)该厂调质时，球头销和其他产品使用同样工艺；2)堆放，见图4(a)，可能造成温度不均匀；3)元旦前后环境温度急剧下降，在零下几度，但未调整工艺；4)由于是非连续式调质炉，淬火后，不能及时回火。

⑶厂家3使用连续网带炉，冷却方式和厂家1、厂家2相同，只是回火炉出口加装了水冷装置，且单层整齐码放，见图4(b)。

图4 码放方式

试验验证

⑴分别对等温正火和余温正火产品进行调质试验，结果无太大区别。

⑵厂家1和厂家2：先对楔横轧后未调质的产品进行磁粉探伤，将有疑似裂纹(一般是模具辊缝造成的压痕或模具刻痕造成的刻痕印，见图5(a))和无任何缺陷的两组产品进行标识，并同时进行调质处理，调质后发现，调质前无裂纹的产品，发现了裂纹，而调质前有疑似裂纹的产品，多数调质后未发现裂纹，个别出现裂纹的位置也未在辊缝印等疑似裂纹处，见图5(b)。

图5 调质前、后裂纹及位置对比

⑶厂家2单层码放并及时回火，调质件未产生裂纹，金相组织和硬度均合格。

⑷厂家3对未经过磁粉探伤的、和厂家1、厂家2相同状态的楔横轧件进行调质，未发现裂纹产品。

自查自检

⑴厂家1。

1)对比所有调质件的金相和硬度记录，发现最后一批调质的带裂纹的产品硬度普遍较高，心部硬度均超过30HRC，而前期无裂纹的产品心部硬度基本都在30HRC以下。且从金相硬度看，心部已淬透。

2)裂纹分析。抽取有裂纹的产品2件，在球头脖子附近沿垂直裂纹方向横向剖开，如图6，裂纹宏观形貌见图7(a)，裂纹放大宏观形貌见图7(b)；用金相砂纸磨后，在100倍显微镜下观看，裂纹头部和尾部形貌见图8(a)、图8(b)，裂纹呈锯齿状，尾部尖细向内延伸，裂纹处无氧化脱碳；再用4%硝酸酒精腐蚀后，基体组织为回火索氏体，如图9所示。

图6 表面裂纹宏观形貌

图7 横断面裂纹形态

图8 100倍显微镜下裂纹头部和尾部形貌

图9 裂纹周围显微组织(500×)

⑵厂家2 。

1)厂家2硬度比厂家1明显提高，抽取5件产品，90%以上的点硬度在33.8～38.3 HRC，严重超过32HRC的标准。

2)裂纹分析。用与厂家1相同的取样方式和评价方式对厂家2裂纹产品进行检验，结果与厂家1基本相同。

外委检验

分别找有资质的单位对厂家1和厂家2的裂纹进行分析，结果均认为是淬火裂纹。

影响因素与验证

裂纹影响因素

⑴原材料。如果原材料存在裂纹或折皮，在楔横轧制时，可扩大缺陷，使轧件表面出现螺旋状裂纹，进而可能导致调质裂纹。

⑵楔横轧。可能导致楔横轧裂纹或疑似裂纹的因素有：1)原材料裂纹导致楔横轧裂纹；2)模具刻痕导致楔横轧件上出现疑似裂纹的刻痕；3)模具辊缝大可能会导致楔横轧件上出现疑似裂纹刻痕；4)楔横轧件轧制时，为了冷却模具，冷却水流过大，冲到件上，也可能会造成裂纹；5)为了快速检验楔横轧件，将楔横轧件放入冷水中冷却，可能会造成沾水裂纹。

⑶调质。造成调质裂纹的因素有：1)原材料裂纹导致调质裂纹；2)轧件本身裂纹导致的调质裂纹：3)调质工艺不当引起的裂纹(如：加热温度过高，冷却液温度低，冷却液浓度不合适等)；4)淬火后未及时回火导致的裂纹。

试验验证

⑴原材料。我们对原材料进行了跟踪，未发现原材料表面裂纹、折皮等缺陷，也未见到轧件表面存在因原材料造成的裂纹。

⑵轧件。1)未发现原材料引起的裂纹；2)对有模具刻痕的产品进行标识，跟踪调质，未发现刻痕处有调质裂纹；3)对存在辊缝印刻痕的产品进行标识，跟踪调质，裂纹与辊缝印未重合；4)跟踪冷却水冷却时是否会造成轧件裂纹，结果未发现轧件有裂纹；5)我公司曾出现过沾水裂纹，对此进行了水温和入水件温度控制，之后，未发现沾水裂纹。

⑶调质：1)对存在模具刻痕和模具辊缝印刻痕的轧件进行标识，并跟踪调质，未发现在缺陷处的裂纹；2)对无任何缺陷的产品标识跟踪调质，有裂纹产生；3)厂家2调整码放方式和加热温度以及冷却液温度并及时回火后，无裂纹产生；4)对调质后有裂纹的产品进行切检分析，裂纹沿晶分布，笔直刚劲，周围无氧化脱碳，是应力裂纹；5)外委有资质的厂家检验结果认为是淬火裂纹。

结论

球头销产生的裂纹排除原材料裂纹和楔横轧裂纹因素，是调质工艺不当或未及时回火造成的裂纹。由以上试验验证可以看出：

⑴无原材料裂纹。

⑵轧件上可能会有因模具造成的各种疑似裂纹的刻痕，但通过跟踪调质，未产生裂纹，说明轧件上的刻痕不会造成调质裂纹。

⑶沾水件。沾水件虽然有产生裂纹的风险，但已经对其进行了严格控制，入水温度和水温都确保在要求范围内，即便有个别未按工艺控制的，也对沾水件进行了全检，裂纹产品全部挑出，未流到调质工序。

⑷轧件上没有裂纹时，调质产生了裂纹，且裂纹均未在轧件缺陷(刻痕)上，说明裂纹不是因为轧件疑似裂纹导致的，应该是调质本身产生的裂纹。

⑸厂家1。前面批次一直未产生调质裂纹，最后一批出现裂纹，轧制工艺未改变，但与供方交流，调质更改了加热温度，推断是调质工艺造成了裂纹，且最后一批硬度偏高。

⑹厂家2。调质硬度远超过标准，并在天气发生变化，温度急剧降低时，未调整工艺，认为是调质工艺导致的裂纹。另外，厂家2是非连续式调质炉，未能及时回火，也可能造成裂纹产生。

⑺厂家3。厂家3调质的工件状态和厂家1及厂家2完全相同，但厂家3未发现裂纹。