某钢件纵向裂纹原因分析

内燃机与配件

某钢件纵向裂纹原因分析

余鸿雅

(安徽神剑科技股份有限公司，合肥230601)

摘要：大件高碳合金钢材质热处理工艺和低中碳钢小件不尽相同，尤其是在热处理设备或热处理方式不同的情况下，即使同

样一产品工艺更是不能简单借用，本文结合公司实际发生的一起热处理裂纹案例对大件高碳合金钢材质热处理工艺和方法进行 初步探讨。

关键词：某钢件;纵向裂纹;分析1概述

安徽神剑科技股份有限公司在进行某钢件（材质 50SiMnV)热处理后超声波检测中，发现1发产品有纵向 贯穿裂纹，裂纹宏观形态为单条纵向垂直裂纹，至尾地面 向中心处延伸，如图1，断裂面平齐，断面距□部约5cm处 有少许锈迹。

该钢件加工流程为：棒材寅热挤压毛坯寅粗加工寅热 处理前探伤寅热处理寅热处理后超声探伤寅精加工寅水 压试验寅磁粉探伤寅打标记、清洗寅集中检验寅裂纹倾向 性检验寅交验。

量跟踪卡号为1-14-3-18,该炉产品热处理前超声探伤均

未发现波形异常产品。本批产品机加投料数共4946发，分 7个热挤压炉次。出现裂纹的钢件挤压毛坯进厂炉批号为 “2014-D053C钢件-03”入厂850件，粗加工工序机加领 料848件，5月20日开始粗加工，7月17日粗加工结束，7 月25日进行热处理前超声探伤。

因公司热处理炉故障，8月5日生产部门开始对热处 理产品进行外协。外协厂家为HFDC热处理有限公司。

8月10日外协热处理淬火炉出料时发现该发裂纹产 品，但厂家未将此发产品隔离、一起转运至公司继续后面 工序，公司检验人员在热处理后探伤工序将此发产品剔除 交隔离室隔离并报告了公司领导。

2.2设备情况

粗加工工序数控设备均在鉴定合格期内，满足工艺要 求。热处理工序由外协厂家加工，外协热处理设备型号为 1#炉中天热处理厂2009年9月生产的ZTW-600气氛渗 碳炉，功率90kW，2#炉丰润热处理厂2007年生产的FR- 600-H气体渗碳炉，功率130kW(我厂是丰东热处理有限 公司2005年1月生产的BBH-600预抽真空气体渗碳氮 化炉，容量130kW)。三种设备的共同点是炉膛尺寸一致，

图1裂纹内底部

2问题调查分析2.1现场调查

经调查，出现裂纹的钢件热处理炉号为14-215炉，质滤框3中，喷射管道12的数量为2个，也可以根据实际情 况或排屑器的下主体宽度增加或减少喷射管道的数量。喷

射管道12的位置也可以适当调整，喷嘴13与过滤网板之 前形成角度茁，该角度通常在30毅~ 90毅之间，以保持达到 有效的冲洗效果。当喷管12绕其轴线旋转时，角度茁变 化并且可以取得任何角度的值，也可以改变喷射的压力。 当角度茁为30毅时压力最小。角度增大时，喷射到网板的 压力增大，但喷射到网板上的面积减少。所以可以根据实 际情况调整角度茁，获得合适的冲洗压力和冲洗面积。

3结束语

本文说明的滤框具有如下优点，具有良好的推广前 景。对于实际应用于排屑机，还需更细致的研究和探索。

①过滤精度高。蚀刻板成型的过滤孔比机械穿孔小得 多，具有更精细的过滤。有效的解决了常规排屑器过滤精 度低的问题，冷却液流通量高，具备更少的人为干涉的优 点。②滤框具有自清理功能，极不易于堵塞。在滤框内部增 加喷管和使用更薄的过滤板，很大程度的减少了滤框的堵 塞几率，具备更少的人为干涉的优点。③成本可控制。过滤 板的原材料为蚀刻板，属工业常用原材料，价格低廉，在保

证使用功能的情况下，成本基本无增加。

Internal Combustion Engine & Parts

均为600mm，淬火炉主体结构一致，加热室气氛控制及温 度控制系统一致；不同点是废气排放结构不同，前室气氛 不一致、ZTW-600气氛渗碳炉未设抽真空装置。

2.3材料情况

2.3.1热挤压用棒材情况

公司2013年1月9日从鞍钢股份有限公司采购 15.308t棒材，原炉批号为“125D7431 ”该批棒材在YXGY 公司热挤压成型的炉批号为“ 13-3#(7431 )”，毛坯进厂后 的炉批号为“2014-D053C钢件-03”（850发），如表1所 示。2013年批号为“125D7431’’D053C棒材入厂验收均符 合要求，如表2所示。

表1棒材用于热挤压产品情况

热挤压产品 热挤压产品进厂批号

原厂批号

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油实际温度显示40益，设定温度为70益。

2.5检验测量情况2.5.1热处理后检测情况

外协热处理过程中，按照我公司工艺要求进行硬度淬 火自检，均为HRC逸50,回火后硬度41臆HRC臆45,满足工艺要求。

外协热处理后产品进厂验收时，按照热处理工艺要 求，进行硬度检测，硬度42臆HRC臆44,满足工艺要求。对 我厂2014年D053C钢件热处理后硬度进行统计后与外 协厂家进行比较，硬度检测均满足工艺要求，但外协厂家 同一炉次热处理后硬度波动较大。

该发裂纹钢件取样硬度检测44臆HRC臆45，满足工 艺要求。

2.5.2超声波检测情况

外协热处理1692件，波形异常25件。（2013年3批 投入3383发，热处理后探伤波形异常5发）

2.6初步分析

钢件严格按批准的产品图使用材料，粗加工过程受 控，原材料供应厂家和热挤压厂家均在公司合格供方名单 内，能排除原材料和热挤压过程因素。外协热处理厂家未 经公司质量、技术等相关部门进行生产能力确认，热处理

进厂批号原厂批号数量时间

2013-

D053C-钢 125D7431件棒材-03

15.308t

2013-

2013.1.9D053C-钢

件-03

13-3# (7431)

表2 125D7431棒材入厂验收情况

检测项目

11440135041.5

21410132041.0

设备与公司工艺要求不一致，生产过程公司无人员监控， 过程记录不完整，不能排除热处理过程因素。

2.7失效分析2.7.1建立失效树

根据在公司内部及外协厂家现场调查及分析确定失 效模式为钢件热处理后裂纹。

2.7.2底事件排查

根据钢件热处理后裂纹失效树，对失效树底事件进行 逐一排查。

原材料缺陷和热挤压缺陷造成的裂纹均为热处理前 裂纹，该裂纹在金相分析时，在裂纹断面处会出现氧化脱 碳现象。为确定是热处理前存在的裂纹缺陷，从钢件断裂 处□部、中上部、中下部、底部各取一块试样进行金相分 析，如图2、3、4、5。从低倍组织看，晶体有少量碳化物析 出，晶体组织正常，无过烧、脱碳现象，排除热处理前钢件 存在缺陷的可能。底事件“原材料缺陷”和“热挤压造成裂 纹”排除。

Rm( MPa)拉伸1300

Rcl(MPa)1100Z(%)20

逸逸逸

2.3.2 热挤压钢件毛坯情况

钢件由YXGY公司热挤压成型，每次进厂产品均经 复验合格。公司2014年D053C钢件毛坯热挤压进厂复验 情况如表3所示。生产过程中发现的裂纹钢件进厂炉号为 “2014-D053C钢件-03”，即是2014年3月28日入厂的 850件产品中。

表3入厂检验项目情况

炉号

机械性能(HB 理化检测（低倍组理化检测（金 壁厚差（臆 硬度臆

245)

织）相组织）

3.5mm)1.21.5

耀

03炉192217

耀

无裂纹、夹层、缩无过烧和影响孔或其它破坏金机械性能过热属连续性缺陷

组织

2.4工艺情况

该产品机械加工工艺、热处理工艺，粗加工工序未发 生变化，过程中未出现异常；热处理工序为关键工序，热处 理由外协厂家按我公司热处理工艺生产，使用淬火油为日 本出光快速光亮淬火油。但未能提供淬火油检测记录。

8月19日我公司去外协热处理厂现场查看时，未能

从淬火炉控制柜程序中查到生产记录，9月1日再次去现 图2 口部断面晶体组织(未侵蚀）图3中上部断口纵向组织图

400X160X场查看时，生产负责人从设备控制系统中调出生产我公司 产品1号炉用37号程序001 860益002 860益升温等待 003 1:15: 00保温，2号炉7号程序001 860益002 860益 升温等待003 1:15:00保温；淬火油温度未设定，负责 人介绍说一般控制在60益。现场看到正在加工产品淬火

2.7.3 热处理淬火裂纹

工件热处理流程一般先加热再保温后冷却，能出现异 常状况的环节有加热温度过高、加热炉内停留时间过长、 冷却温度过低、冷却时间过长。加热温度过高将导致产品

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图4中下部断面组织图

图5底部断面纵向组织图

400X

160X

图6中下部基体组织

图7中下部晶界组织

500X

500X

中奥氏体晶粒迅速长大，以致零件力学性能显著下降，或 晶粒显著长大，断□表面呈小丘状粗晶结构，无金属光泽； 加热炉内停留时间过长会使产品中奥氏体晶粒的晶界发 生严重氧化甚至熔化，表面粗槌不平，断□为灰色无光泽。

热处理淬火裂纹纵裂的基本宏观形态为“沿细长零件 表面启裂，在沿纵向扩展的同时，又以垂直表面的方向向 截面内部扩展，形成外宽内尖的楔形裂□。纵裂的扩展总 是终止于截面的中心处附件，外观上总是显现瘦直而刚健 的曲线，棱角性较强，在单条主裂纹两侧，沿晶界分布着细 小裂纹等”与公司发现问题钢件裂纹相似；结合图6、图7, 微观组织结构（2014年9月鞍钢股份有限公司理化分析 提供），不能排除热处理淬火裂纹。

通过过程调查，外协热处理厂家选择时未经公司进行 生产能力确认，在生产设备部分参数不一致的情况下，未 经工艺试验即按我厂工艺生产，工艺参数的适宜性不确 定；影响淬火质量的淬火油温度无设定值和实际值的记 录。一般情况下快速光亮淬火油最佳使用温度为60益- 80益，过高或过低都可能出现工件冷却不均，变形不一致， 严重时致开裂。

外协热处理厂主要从事汽车发动机、变速箱上用挡圈 等零件的热处理，材质主要是20Cr、40Co、35CrMo,未从事 过类似我公司钢件形状和材质的产品。

从生产过程记录看，工艺参数控制不稳定，淬火时间 长短不一，淬火温度没有记录，热处理淬火裂纹不可排除。

(以上分析判断依据《热处理常见缺陷分析与对策第 二版》王忠诚，王东编著，化学工业出版社）

失效分析小组根据排查方案，通过检查、检测和分析 等手段，对热处理后裂纹底事件进行逐个排查，裂纹缺陷、 晶体组织符合淬火裂纹特征。

不可排除底事件有：热处理淬火裂纹。2.8确定失效原因

2.8.1综合分析

热处理裂纹产生的原因是多方面的，除去材料本身或 操作不当，还可能出现在加热温度、加热方法、冷却介质和

内燃机与配件

冷却方法等方面。因故障产品的热处理过程工艺参数无法 真实追溯，整个生产过程的可追溯性不强，不能准确界定 产生于热处理过程中的某个环节。

2.8.2故障机理淬火裂纹是由内应力引起的。内应力分为热应力与相 变应力。工件在加热或冷却时，由于不同部位存在着温度 差而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力。淬 火工件在加热时，铁素体和渗碳体转变为奥氏体，冷却时

又由奥氏体转变为马氏体。由于不同组织的比容不同，故 加热冷却过程中必然要发生体积变化。热处理过程中由于 工件表面与心部的温差使各部位组织转变不同时进行而 产生的应力称为相变应力。淬火过程中，当工件中的内应 力超过材料的屈服点，就可能产生塑性变形，内应力大于 材料的抗拉强度，则工件将发生开裂。

淬火裂纹是沿着奥氏体的晶界而扩展，有时在裂纹的 两侧还有细小的裂纹，故裂纹为曲折状，晶粒越大则裂纹

扩展越大，严重时造成穿晶断裂。淬火裂纹一般在马氏体 相变温度区淬火时产生的，由于应力的重新分布导致的裂 纹，一般在冷却5-7秒或10-60分钟后开裂。

2014年11月6日，工厂邀请了合肥工业大学材料工 程学院教授对缺陷产品进行了分析，一致结论仍是：产品 在加热过程中温度高或加热时间长使组织奥氏体晶粒粗 大，造成组织缺陷，在淬火过程中使缺陷扩大，造成裂纹。

热处理过程中因外协厂设备本身条件所限使产品加 热时间过长或重复加热，造成产品局部过热，组织异常，在 后续淬火冷却过程中从此处开裂并迅速扩展成裂纹。局部 过烧或过热在热挤压或热处理过程中属尽力控制的情况， 因此种原因造成的不合格可通过有效的检测手段剔除，如 磁粉探伤、超声波检测等。

3结语

真空热处理具有无氧化、不脱碳、工件表面光亮、变形 小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点，是近 年来发展较快的热处理新技术之一，特别是在进行航空材 料表面改性方面获得了很大的进展。许多新近开发的先进 热处理技术，如真空高压气淬、真空化学热处理等，也需在 真空下方能实施。采用真空热处理技术可使结构材料、工 模具的质量和使用寿命得到大幅度的提高，尤其适合于一 些精密零件的热处理。设备一次性投入大，但产品质量好、 变形小、无污染、节能环保，对工人操作的技术水平要求略 高，生产效率由于真空度要求抽真空时间比较长而略低。

真空热处理在国内发展已有十余年的历史，但目前还 只是应用在高端高质量的零件上，如航空航天等军工产品 的关键部件采用真空热处理，对于民用还是较少。一方面 是因为设备价格高，另一方面是国内零件采用真空热处理 将增加费用除非是高附加值产品，一般不愿意进行真空热 处理。

精密零部件和较高质量要求的零件未来都将采用真 空热处理来确保表面质量和完整性，真空热处理具有从航 空航天高端产品走向民用高端产品的趋势，并且随着环保 无污染国家的严格要求和执行也将得以推广应用。

参考文献：

m唐在兴，薄鑫涛.不锈钢概要及热处理ji.热处理技术与装 备，2011(04).