某产品下壳体裂纹原因分析

褚小菲，杨有才，石燕，冯军海

豫西集团河南北方红阳机电有限公司 河南南阳 474678

某产品下壳体生产过程中，在机加工第一道工序车削外形后，操作者从加工完毕的20件下壳体中发现2件外圆表面有肉眼可见的裂纹，裂纹位置如图1所示。故对在制未机械加工的下壳体进行了100%超声波检测加磁粉检测，共发现284件有裂纹工件。

图1 裂纹位置示意

图2 下壳体裂纹故障树

1 故障分析及定位

结合下壳体加工过程，按故障树分析法，对其产生的原因进行分析，列出故障树如图2所示。

（1）人员 操作人员经培训考核，做到了持证上岗。

（2）设备 工艺设备选用箱式电阻炉RX3-75-9、井式电阻炉RJ2-75-6均处于完好状态，并经计量机构定期校检合格。

（3）原材料 原材料为φ 32m m棒材，45钢（GB/T 699—2015），原材材料进厂验收指标均合格并开具合格证。

（4）工艺 下壳体加工流程：棒料锯切→坯料加热→模锻→退火→粗加工→热处理→精加工→磁粉检测→电泳涂漆。

热处理工艺流程：工件加热→淬火→清洗→抽检淬火硬度→回火→磨平面→硬度检验。

产品工艺经技术部门编制审核，在2018年两万余件下壳体试生产过程中，未发现裂纹等缺陷，工艺参数合理、有效。

（5）故障定位 经过以上排查，排除了设备、材料和工艺可能存在的问题，基本确定下壳体裂纹是在热处理过程中产生的。

2 理化检验

从裂纹下壳体中挑选较严重的1件进行理化检验，并挑选工件裂纹批次原材料与锻件进行对比试验。

（1）宏观观察 工件外表面有两条裂纹，均由工件大头沿纵向延伸，裂纹较直，最长一条裂纹长约30mm，大头横截面部位裂纹贯穿工件整个壁厚。在下壳体试样中间部位切取横向低倍试样，酸浸后观察低倍组织正常，未发现其他破坏金属连续性的低倍缺陷。

（2）硬度检验 在裂纹处取样进行硬度检验，结果为26.5～27.5HRC，符合工艺25.0～32.0HRC的要求。

（3）金相检验 在工件裂纹处切取两块横向金相试样磨制，其中一块试样横截面贯穿整个截面，另一块试样断续延伸贯穿整个截面，裂纹缝隙较大，裂纹上有次生小裂纹，尾端较细，裂纹内充有氧化物，裂纹两侧均无脱碳现象。试样基体组织为回火索氏体，裂纹两侧组织无特异之处，工件内孔表面局部存在脱碳现象，未发现过烧及其他破坏金属连续性的组织缺陷，如图3所示。

（4）对比试验 对工件裂纹批次原材料与锻件进行低倍检验和金相检验，低倍检验结果均为：低倍组织正常，未发现其他破坏金属连续性的低倍缺陷。金相检验结果均为：珠光体+铁素体，未发现过烧及其他破坏金属连续性的组织缺陷。

3 分析与讨论

3.1 淬火冷却介质

（1）介质密度 工艺要求采用饱和三硝水溶液（NaNO325%+KNO320%+NaNO220%+H2O35%）作为淬火冷却介质，密度要求1.30～1.50g/cm3，检测实际密度1.40g/cm3，符合工艺要求。

（2）介质温度 工艺要求淬火冷却介质使用温度为20～50℃，下壳体热处理生产日期为2019年5月3-31日（2018年该产品生产时间为8-9月），期间南阳市南召县每天最低气温均不高于20℃，且我公司生产厂区处于山区，气温相比城市低3～5℃，该淬火水槽无配备加热装置，因此淬火冷却介质在5月份其中的26天内，每天初次使用时不加热的情况下最低使用温度20℃无法保证。

图3 裂纹处金相组织

3.2 过程记录

检查车间生产记录，淬火加热104炉，每炉装6个淬火筐，每筐装下壳体40件，淬火共处理25 440件；回火加热58炉，每炉装12个淬火筐，每筐装下壳体40件，回火共处理27 840件。25 440件淬火处理的工件淬火冷却后均能查到在2h内回火处理的记录，但淬火与回火处理的工件总数不同且均与2019年产品下壳体热处理的总数量29 823件均有部分出入。据此可推断出可能有淬火冷却后2h未回火处理的工件存在，淬火冷却介质温度及密度均无相应记录。

3.3 机理分析

工件淬火冷却时，在高温区由于心部的冷却滞后于表面以及相变产物与相变前组织比容的差异，内部产生热应力和组织应力。在冷却过程中如果两种应力的叠加超过材料的屈服强度，就会发生塑性变形，结果就是工件的形状和尺寸变化[1]。低温区冷却后，材料的屈服强度很高，塑性显著降低，未被塑性变形松弛的应力就会在金属内部保留下来，形成残余应力。当两种应力叠加的残余应力超过材料的抗拉强度，就会在工件表面或表层下形成裂纹或发生开裂。水基淬火冷却介质温度越低，冷却速度就越大，工件冷却后残余应力增大，产生裂纹的几率增加[2]。

有许多工件的开裂并不是在淬火冷却后立即出现的，而是当工件从淬火冷却介质中取出经过一定的时间以后才显现出来，这种裂纹为时效裂纹，表现形式仍为淬火裂纹，时效裂纹同样是较大的淬火应力所引起。工件淬火后如及时回火可有效降低淬火应力，防止裂纹的产生[3]。

3.4 结论

1）下壳体裂纹是淬火裂纹。

2）淬火冷却介质达不到最低使用温度20℃直接进行淬火冷却，是工件产生裂纹的主要原因，且存在淬火后未及时回火的可能性。

4 预防措施

1）淬火水槽增加升降温装置，每次淬火前测量淬火冷却介质密度、温度，确保淬火冷却介质满足工艺要求。

2）对下壳体毛坯机加工前增加一道超声波检测工序。

3）加强过程控制、质量控制，要求操作人员严格执行工艺，增加工艺记录的项目（介质密度、介质温度、合格数、返修数、废品数等）。

4）加强操作者及检验人员质量意识培训，生产过程中当产品质量出现异常情况时要及时反馈到车间、技术及质量部门，以便相应部门做出对应的处理措施，可预防批量缺陷问题产品的出现。

5）举一反三，该产品上壳体与下壳体采用同一热处理工艺，为保证产品质量，决定对上壳体毛坯在机加工前也增加一道超声波检测工序，加强过程控制、质量控制，严格执行工艺。