连杆锻造裂纹的原因分析及纠正措施

文／祁易，张文博，侯会凯·中车资阳机车有限公司

连杆是柴油机中重要的传动部件，由于受力复杂，要求具有良好的结构刚度和疲劳强度，以保证传动机构的可靠性。柴油机连杆由于其重要性对原材料、锻压工艺及热处理要求都极为严格。

我公司开发的某型连杆在试制过程中，有三根连杆产生了表面裂纹。本文通过宏观检验、金相分析、化学成分和硬度梯度分析，对裂纹产生的原因进行逐一排查，以避免类似的裂纹重复产生。

图1 裂纹分布形态

宏观检验

三根连杆裂纹均产生于靠近大头端的分模面上。裂纹的宏观形态为裂纹刚直，有次生裂纹产生，整体呈纵向分布。裂纹整体与纤维流线重合，尾部较尖细。根据连杆的剖切面，裂纹深度约10mm，属于裂纹的扩展造成。

金相分析

在距加工区边缘约8mm处取样，见图1。加工区一侧裂纹完整，与表面呈一定角度，深度约10mm，与锻造变形流线一致；而另一侧裂纹仅在次表层残留一小段，为裂纹的纵向尾部，见图2。

图2 裂纹形态

在未加工处制样后抛光状态观察，该处裂纹未贯穿连杆表面，距表面约0.2mm，见图3。裂纹前端与表面呈大角度夹角，裂纹刚直，曲折分布，尾部较尖细，图3中残留裂纹尾部尖细，见图4。腐蚀后观察，裂纹前端与连杆锻造纤维流线重合，未贯穿到连杆表面，见图5。裂纹两侧无脱碳现象，前端较平直，中间部分有明显的曲折，尾部较尖细，两侧有较多氧化物，见图6。残留裂纹的分布与连杆的带状组织一致，无脱碳现象，两头较尖细，见图7。连杆基体组织为回火索氏体，而表层组织为细小均匀回火索氏体，见图8。

图3 裂纹靠表面处形态

图4 裂纹尾部形态

图5 裂纹靠表面处形态（腐蚀）

图6 裂纹形态及组织

由理化分析可知，连杆次表层组织基本为细针状马氏体回火组织，基体为板条状马氏体回火组织。由于连杆表面有裂纹区域大部分已加工，取样位置位于裂纹的尾部，该处裂纹未贯穿表面，前端与纤维流线重合。裂纹中部曲折，尾部较尖细，为典型的应力裂纹形态。裂纹两侧无脱碳现象，中间及两侧有较多的氧化物。

图7 残留裂纹附近组织形态

化学成分分析

连杆材质为42CrMoA。由图2可知，连杆腐蚀后其表面与基体颜色不同，表面4mm区域内颜色明显要深一些。用光谱仪对表面及基体进行化学成分分析，结果显示两者化学成分无明显差异，符合连杆技术条件的要求，见表1。

硬度分析

在连杆未加工处制作的试样上进行硬度梯度测试，结果显示，连杆表面4.0mm范围内颜色深的区域硬度值较基体硬度高，表面有明显的硬度降低，见表2。硬度梯度测试显示，连杆次表层硬度较基体硬度高，表面有脱碳现象。

分析与讨论

图8 连杆基体及表层组织

由于连杆材质为42CrMoA，碳含量较高，在淬火时组织转变会更剧烈，产生较大的应力，从而增加淬火开裂的风险。锻件的分模面由于变形会出现严重的纤维流线，其横向性能较差，也会增加淬火开裂的风险。

从金相分析，我们得出以下结论：

⑴裂纹是由外向内沿纤维流线产生的应力开裂，是在淬火过程中产生的。

表1 化学成分检测

表2 硬度梯度测试

⑵裂纹起始处位于已加工掉的区域。裂纹均产生于靠近大头端的分模面上，均出现在连杆的单侧。

因此，裂纹出现的原因基本确定以下两种因素：

⑴淬火时产生的裂纹。

淬火时产生裂纹的原因可能有以下几点：1)成分超标；2)热处理工艺错误；3)操作失误。

对此次裂纹处化学成分检测，符合材料技术条件范围，可以排除成分超标；由于只有个别连杆发现裂纹而不是批量裂纹，热处理工艺不合理和操作失误的可能性也不大；热处理裂纹的位置存在随机性，但本次三根连杆的裂纹位置基本一致，裂纹表象、深度基本一致。

基于以上分析，可以排除该裂纹为淬火时产生的裂纹。

⑵锻造时产生的缺陷，在热处理时发生扩展。

依据锻造产品的特性，分模面是锻造缺陷的高发区。本次三根连杆的裂纹位置均出现在分模面，与锻造缺陷高发区吻合。因此，可以初步判定裂纹为锻造时产生的缺陷并在热处理过程中发生扩展形成的。

裂纹产生过程还原

由于该连杆是由16t模锻锤多次打击成形，在打击过程中会不断有金属垮塌在分模面位置，垮塌位置如图9所示。垮塌后的金属随着型腔内多余的金属不断流出形成飞边，逐渐聚集在锻模桥部位置，直至锻件成形。

然而在生产时，16t模锻锤设备倾斜较大，倾角达到2‰（后期检测的结果），在打击过程中必然会导致锻模上模发生偏离，在打击后期在模具导锁的作用下与下模配合时就会导致上模的晃动，从而造成垮塌的金属在锻模桥部位置不能按预定流动，造成局部堆积，再在锤头的多次打击下形成层叠。而在生产过程中如果操作者未将坯料摆正，坯料偏向一侧就加大了垮塌的可能性及垮塌量，此时在坯料偏向一侧的锻模桥部位置的金属堆积太多，无法有效流出，在锤头的作用力下，就会将部分已发生层叠的金属挤入到连杆本体内形成缺陷。

图9 金属在型腔内垮塌位置

连杆锻造过程中，个别连杆杆身形成了缺陷，热处理前未完全清除，形成淬火裂纹源。在淬火过程中，由于个别连杆杆身的缺陷使强度降低，淬火过程中产生的巨大应力超过材料本身的强度，从而产生裂纹。

本批连杆淬火温度为850℃，且连杆原材料中的碳含量较高，在淬火时组织转变会更剧烈，淬火裂度较大，因此产生的应力会更大，会增加淬火开裂的机率。如果连杆浅表面存在缺陷，会在淬火时形成裂纹扩展。锻件的分模面由于变形会出现严重的纤维流线，其横向性能较差，所以在淬火时裂纹会沿纤维流线扩展。

结合对设备的检测，发现16t模锻锤的锤臂水平倾斜达2‰，而16t模锻锤的打击行程为1500mm，得出上模产生的水平错移约为3mm。锻造下行过程中的错模如图10所示。而当锻模进一步下行，凹锁扣和凸锁扣接触产生导向效果时，靠锻模锁扣强行将上模拉拽会抵消一部分错移。再考虑出模斜度，切边面距本体约3mm，所以原始缺陷部位会在距离表面6mm的范围内。热处理的裂纹扩展深度与热处理时产生的应力有关，结合原始缺陷的部位，其扩展裂纹会呈现出与分模面平行、沿着金属流线方向扩展，深度不一定。

图10 锻模错模示意图

从以上分析可得出：

⑴裂纹只会出现在连杆的分模面。

⑵原始缺陷部位会在距离表面6mm范围内，在热处理应力的作用下，沿着金属流线方向扩展。

⑶产生原始缺陷的条件：锤头晃动超标和摆料偏斜二者同时具备。虽然生产中锤头晃动超标，而摆料偏斜是偶然的（工艺要求摆料要正、对中）。所以产生裂纹的连杆只会出现在该批的个别产品中。

结论

由于缺陷位于连杆本体内，是次表面裂纹；而在切边作用力下，部分表层缺陷被挤压后反而消失。所以仅采用磁粉探伤方式进行出厂检验不能有效发现缺陷，可以增加双晶探头超声波探伤进行检测，但要注意探伤区的表面粗糙度要达到MRR Ra6.3μm。

锻压设备本身的精度对模锻产品折叠的影响十分关键，锻造厂一定要依据产品特性，合理控制锻压机本身的晃动。