連桿是發動機中主要傳動部件之一，它將活塞與曲軸聯接起來，使活塞的往復直線運動變為曲柄的回轉運動，以輸出動力。在柴油發動機工作過程中，連桿承受膨脹氣體交變壓力和慣性急劇變化產生的動載荷，這就要求連桿應具有足夠的強度和剛度。

本文從合金鋼連桿(圖1)熱處理裂紋質量問題入手，深入分析產生的原因，制定具有針對性和指導性的措施，通過采用合適的熱處理工藝和操作，達到產品技術要求，并為后續相關產品的設計和生產提供經驗和技術支持。

圖1 合金鋼連桿模型圖

產品技術要求

原材料

材質：42CrMoA 鋼，按照GB/T 3077-2015 ，化學成分含量見表1。

表1 42CrMoA 原材料化學成分含量(%)

生產流程及技術要求

⑴鍛件重98kg，經兩次加熱變形、采用整體鍛造成形，具體生產流程為：下料→加熱出坯→加熱模鍛→焊割大小頭孔→熱處理→鏜孔→探傷→拋丸→防銹→發貨。

⑵產品交貨狀態為調質，每爐隨機抽取一件實物試樣取試(圖2)，按照縱向1 套、橫向1 套(參考)，達到的技術要求見表2。

表2 合金鋼連桿技術要求

圖2 合金鋼連桿實物取試示意圖

質量問題發生及解決

問題描述

該產品在首批生產時，在熱處理調質后進行磁粉探傷工序，發現個別產品的大小頭孔處出現裂紋缺陷，裂紋為多條且垂直于大小頭孔呈放射狀展開，見圖3。

圖3 裂紋表面狀態

情況調查

經調查：該產品經鍛造后，采用焊割方式去除大小頭孔處連皮，連皮厚度約10 ～15mm，焊縫邊緣呈現鋸齒狀并有尖銳凸起及凹陷處。在此狀態下產品直接進入熱處理工序，熱處理方式采用正火、調質，為滿足900 ～1050MPa 的強度要求，淬火冷卻采用水淬。

原因分析

⑴機械性能檢測。

隨機解剖出現裂紋的兩件產品，按要求在縱向、橫向取試并進行拉伸和沖擊試驗，所得結果見表3。

從表3 可以看出，采用上述熱處理方式(水冷)，產品機械性能中強度、沖擊以及硬度都滿足技術要求，屈強比達到0.85 左右，且沖擊值都在100J 以上，遠高于要求值(35J)，表明產品熱處理效果良好。

表3 熱處理后實物機械性能數據

⑵裂紋金相分析。

在裂紋部位取樣進行化學成分分析，結果顯示，材料符合42CrMoA 技術條件要求，見表4。

表4 裂紋處原材料化學成分含量%

宏觀觀測，出現裂紋處有明顯的擠壓和切割痕跡，且痕跡處都有裂紋出現，裂紋由表面呈放射狀擴展，切開后裂紋見圖4。

圖4 裂紋宏觀狀態

分別在裂紋開口、中間及尾部取樣，制樣后拋光狀態觀察，裂紋開口較小，剛直曲折擴展且尾部尖細，開口、中間及裂紋尾部兩側未觀察到脫碳現象和非金屬夾雜物，圖5。產品的非加工面有約0.3mm 的脫碳層，金相組織為均勻的回火索氏體，無過熱過燒現象，見圖6。

圖5 裂紋開口、中間形貌、尾部形貌(放大100 倍)

圖6 裂紋開口、尾部、基體組織(放大500 倍)

⑵工藝及操作分析。

該連桿技術要求較高，采用油基淬火液無法滿足強度和沖擊值的要求，選擇水淬滿足機械性能要求，但是卻成為產生應力裂紋的根本原因。再者，該連桿經加熱模鍛后采用焊割方式去除大小頭孔連皮，焊割后孔的邊緣呈不規則及參差不齊的鋸齒狀，且焊割孔的大小不一致，部分產品由于焊割的孔較小，留有的連皮較多且10 ～15mm 的連皮厚度形成最危險淬裂尺寸(水淬時8 ～15mm)，綜上因素，在后序熱處理水淬時成為應力集中初始源。

從上述機械性能、金相以及工藝操作等分析可以判定：該裂紋為典型的熱處理應力超過材料的斷裂強度引起的淬火開裂現象。

圖8中橡膠粉摻量為0%的PVA-ECC基準試件，其韌性數據基于文獻[13]。圖8結果表明，橡膠粉摻量為10%的復合材料各壓縮韌性指數明顯大于基準復合材料；當摻量提高至20%時，壓縮韌性指數基本與基準試件相同。因此，從壓縮韌性角度分析，10%的橡膠粉摻量有利于提高試件壓縮韌性、延性及耗能能力。同時，前述結果表明，10%摻量試件抗壓強度與基準試件相近。

針對分析結果，在保證達到產品技術要求的前提下，分別調整以下工序和工藝參數。

⑴調整生產流程為：下料→加熱出坯→加熱模鍛→焊割大小頭孔→鏜孔→熱處理→探傷→拋丸→防銹→發貨。

產品經焊割去除大小頭孔連皮后進行鏜孔并對孔的根部進行清除及倒角處理，降低最危險淬裂尺寸，消除應力集中點，再進入熱處理工序進行正火、調質。

⑵調整熱處理參數：排除油基淬火液和清水兩類介質，改為冷卻速率在其之間的水溶性介質，要點是控制好水溶性介質濃度，并適當調整淬火和高溫回火溫度，以滿足產品技術要求。

驗證結論

選取產品執行上述整改措施，熱處理后進行磁粉探傷檢測未出現裂紋等缺陷，隨機選取兩件實物試棒按要求進行縱向、橫向取試，得到如下數據，見表5：

表5 改進后實物機械性能數據

根據表5 性能數據可知：按照調整后的工藝流程和熱處理工藝執行后，產品滿足技術要求并避免了裂紋等缺陷的產生。

結束語

⑴通過調整生產流程，從根本上降低了熱處理裂紋產生的風險；

⑵熱處理冷卻介質的適當選取以及熱處理參數的調整，是獲得滿足技術要求的產品并避免批量質量問題的關鍵。