50SiMnVB壳体裂纹原因分析

朱晓英，庄明辉，姜春茂，宋瑞华，刘有江，刘淑艳，刘典富

（北方华安工业集团有限公司，齐齐哈尔 161046）

壳体作为某产品一重要零件，材料采用50SiMnVB钢。经冲压、热处理并采用水溶性淬火剂冷却后，机加到“车全形”，目测发现在距口部50～55 mm的位置，有横向环形裂纹。文中通过宏、微观观察、金相组织检查和化学成分分析检测、验证试验等，确定了壳体裂纹性质和原因，并提出了预防和改进措施。

1 原因分析

1.1 宏、微观分析

某产品重要零件壳体主要工艺流程:下料→钢坯感应加热→冲孔、拔伸→粗车外圆→收口前车外圆→收口前加热→收口→热处理→车全形→磁力探伤→表面处理。

该壳体首批机加到“车全形”工序，目测发现分布在距口部50～55 mm位置，存在横向环形裂纹，见图1。理化分析结果判定:“收口折叠引起的淬火扩展裂纹，折叠深度0.21 mm，扩展裂纹深度0.27 mm，组织为回火索氏体”。金相分析见图2。

图1 横向环形裂纹Fig.1 Horizontal circumferential cracks

测量热处理前收口毛坯距口部70～75 mm位置（机加后为50～55 mm）存在环形“折叠”，见图3［1—5］。判定结果为:收口毛坯口部表面疵病为“折叠”，组织为珠光体+铁素体，深度0.3～0.5 mm，金相分析见图4。

图2 折叠扩展裂纹（×200）Fig.2 Fold extension crack at a magnification of（×200）

图3 口部折叠毛坯Fig.3 Blank with mouth folding

图4 折叠毛坯金相（×100）Fig.4 Metallograph of blank with folding at a magnification of（×100）

1.2 化学成分分析

对不同批次壳体材料50SiMnVB采用化学粉末法对其化学成分进行检测，结果见表1。由表1可知，壳体的化学成分符合技术要求。

表1 壳体化学成分Table 1 Chemical composition of the shell

1.3 加工过程

1）除了原材料的冶金过程可能带来一些缺陷外，热加工不当所造成缺陷都会造成后续热处理（淬火）时形成裂纹等疵病。锻件毛坯形成的裂纹是不易被发现的，所以裂纹的扩展只有在随后的淬火过程才能显著地暴露出来。机加毛坯一经淬火处理，将会使原来存留的裂纹扩展，使其暴露于钢件的表面。根据成品壳体裂纹分布位置规律性，且和收口毛坯口部“折叠”位置基本一致，因此工艺加工问题是主要原因，收口毛坯口部“折叠”是造成热处理时淬火“周向”裂纹的主要原因。

2）壳体口部裂纹的主要原因是收口毛坯折叠造成的，从毛坯投料顺序看，收口毛坯折叠是生产过程中逐步产生的，且由轻到重、由浅到深。分析认为，折叠产生的原因是收口模引模角偏大，经连续生产时收口模由于磨损产生挂腊，并逐渐加重，使口部引模角位置摩擦力增大，导致毛坯口部逐渐形成折叠［6—10］。

3）产品试制期间质量控制存在薄弱环节。一是执行过程（收口外观检查、磁力探伤工序）对工艺规定疵病和操作方法掌握不够细;二是对产品质量细小的变化情况未引起重视，疵病发现不及时造成了裂纹的出现。

2 验证试验

2.1 原材料试验

为验证原材料疵病和化学成分对裂纹的影响，利用4，7号炉进行试验。试验项目及结果见表2。

表2 原材料试验项目及结果Table 2 Items and results of raw materials test

试验结果证明:4号炉26件超声波检验剔除的有伤料，调整收口模具消除收口折叠后水基淬火，试验结果证明，有疵病的材料采用水基淬火，没有壳体口部“周向”裂纹产生;7号炉98件含碳量上限料，调整收口模具取消收口折叠后水基淬火，试验结果证明，含碳量上限材料采用水基淬火，没有壳体口部“周向”裂纹产生。

以上结果说明，含碳量上限材料和有低倍缺陷材料的无折叠壳体，进行水基淬火均不产生“周向”裂纹，因此，壳体口部裂纹与钢材成分和低倍缺陷无关［11—15］。

2.2 淬火介质试验

为验证收口毛坯折叠和热处理不同淬火介质对裂纹的影响，进行了工艺试验。试验结果证明:

1）对不同炉号带有折叠的收口毛坯，热处理时分别采用AQ364水溶性淬火剂和油淬火，均产生淬火延展裂纹，水基淬火裂纹深度大于油淬火裂纹的深度;对不同炉号收口毛坯折叠车掉，热处理采用油基和水基介质淬火均不产生“周向”裂纹。因此，收口毛坯折叠是产生壳体口部淬火“周向”裂纹的直接原因。

2）对相同炉号带有折叠收口毛坯进行热处理，采用水基和油基介质进行淬火，裂纹比例分别为9%和1.9%，这说明，在壳体毛坯有缺陷的情况下，热处理采用油基介质淬火应力敏感小，对壳体口部裂纹有缓解作用。

3 采取措施

1）对未收口壳体，修改收口模引入角:由20°改为10°。经验证，在收口过程中没有产生局部金属堆积变形，消除了口部折叠，彻底解决了收口“折叠”问题。经过热处理、机加、磁力探伤考核，未出现壳体口部裂纹问题。

2）对已收口未热处理壳体毛坯，采用机加将口部“折叠”车掉。经过热处理、机加、磁力探伤考核，未出现壳体口部裂纹问题。

4 结论

综上所述，收口毛坯口部“折叠”是造成热处理时淬火“周向”裂纹的主要原因;其次，收口毛坯口部有“折叠”时，热处理采用AQ364水溶性淬火剂淬火，增加了裂纹的数量。

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