連桿是柴油機(jī)用五大件之一，我廠生產(chǎn)的l195型柴油機(jī)連桿所選用的材質(zhì)為45#鋼。它的工藝流程為：鍛造成型—正火—粗加工—調(diào)質(zhì)處理—噴砂—校直—精加工—組裝。

為了保證連桿的使用性能，要求它具有較高的強(qiáng)度，較好的耐磨性，足夠的塑性、韌性以及相應(yīng)的抗疲勞性等。多年實(shí)踐表明，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理，可以滿(mǎn)足以上的要求。因?yàn)檎{(diào)質(zhì)處理可以細(xì)化晶粒，獲得均勻的具有一定彌散度和綜合機(jī)械性能的細(xì)密球狀珠光體—回火索氏體。

但是，連桿在調(diào)質(zhì)過(guò)程中，有時(shí)產(chǎn)生裂紋，其廢品率最多可達(dá)12%，裂紋的位置分別在小頭部、桿側(cè)面、槽內(nèi)圓角處。為了保證連桿的質(zhì)量，下面從熱處理工藝的選擇和鋼的原材料等幾個(gè)方面進(jìn)行剖析。

1 技術(shù)要求

(1)化學(xué)成份

c:0.42～0.50%；si:0.17～0.37%mn:0.50～0.80%p≤0.04%s≤0.04%；cr≤0.25%ni≤0.25%

(2)機(jī)械性能 hb217～293

(3)金相組織 為較均勻的索氏體，允許有少量斷續(xù)、網(wǎng)狀分布的鐵素體。

2 熱處理工藝參數(shù)的影響

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，選擇連桿的調(diào)質(zhì)工藝如圖1所示。

圖一45#鋼連桿調(diào)質(zhì)工藝曲線

2.1 加熱溫度

45#鋼是低淬透性鋼，且由于它的ms點(diǎn)較高，淬火后，組織應(yīng)力很大。而且，淬火時(shí)片狀馬氏體也占了相當(dāng)?shù)臄?shù)量，所以，很容易淬裂。如果熱處理不當(dāng)，極易有裂紋產(chǎn)生。但是，淬火開(kāi)裂的原因是多種多樣的，過(guò)熱是主要原因之一，所以選擇淬火溫度很主要。

制定淬火加熱規(guī)范的主要依據(jù)是材料 的ac3點(diǎn)溫度。我們將《熱處理手冊(cè)》第四分冊(cè)中各中碳鋼的ac3點(diǎn)聯(lián)成曲線，即ac3線如圖2所示。我們又選用了 35鋼、40鋼、45鋼、50鋼、55鋼加熱，5～10%鹽水淬火做試驗(yàn)，然后用金相法結(jié)合硬度值確定相應(yīng)鋼種的ac3溫度，見(jiàn)圖2。從圖2中看出：含碳量從0.45～0.50%范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)陡降的低谷，最低點(diǎn)在0.48%c處。此時(shí)，ac3約為750～760℃，而0.42%c鋼ac3=780℃，所以45#鋼含碳量在下限時(shí)選用840℃加熱淬火，而含碳量在上限時(shí)仍選用840℃加熱淬火，就容易因過(guò)熱而產(chǎn)生淬火裂紋。｛img02}

加熱溫度過(guò)低，奧氏體晶粒均勻化程度不好，而且部分鐵素體不能溶解于奧氏體，淬火后得到馬氏體加塊狀鐵素體混合組織，硬度不高，機(jī)械性能不好，達(dá)不到淬火的目的。

由以上分析我們可以看出，同樣是45#鋼，由于批次不同，其含碳量有差異。所以，同為45#鋼的零部件，在淬火前要進(jìn)行化學(xué)成份分析，根據(jù)其變化，選擇最為適當(dāng)?shù)募訜釡囟?。我們把這種做法稱(chēng)之為連桿淬火工藝的跟蹤分析，通過(guò)采用這種方法，使連桿的裂紋大大減少。

2.2 保溫時(shí)間

淬火是為了得到均勻一致的組織和所要求的機(jī)械性能，除了嚴(yán)格控制加熱溫度外，正確地確定保溫時(shí)間也是一個(gè)極為重要的問(wèn)題，它取決于工件的大小、形狀、鋼的化學(xué)成份，原始組織及裝爐情況等，但保溫時(shí)間的選擇應(yīng)能保證組織轉(zhuǎn)變的完成并能使奧氏體成份均勻。因此，保溫時(shí)間要足夠長(zhǎng)，保溫時(shí)間過(guò)短，奧氏體晶粒均勻化程度不好，影響淬火質(zhì)量。不過(guò)，保溫時(shí)間又不能過(guò)長(zhǎng)，否則，零件表面氧化脫碳程度加大，同樣影響了淬火質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)中，連桿保溫時(shí)間我們選擇為 60～90min。

2.3 冷卻速度

熱處理工序有兩個(gè)重要的組成環(huán)節(jié)，即加熱與冷卻。工件冷卻時(shí)所采用的冷卻介質(zhì)及冷卻方式對(duì)熱處理后的工件質(zhì)量起著重要作用。許多熱處理缺陷如：變形、開(kāi)裂、硬度不足等，往往因冷卻介質(zhì)和冷卻方式選擇不當(dāng)所致。因此，冷卻介質(zhì)的選擇也是連桿產(chǎn)生裂紋的重要因素。

由于加熱至奧氏體狀態(tài)的工件必須在冷速大于臨界淬火速度情況下，才能得到預(yù)期馬氏體組織，即希望在c曲線鼻子附近的冷速越大越好。但在ms點(diǎn)以下，為了減少因馬氏體形成而造成組織應(yīng)力，又希望冷卻小些，圖3為幾個(gè)淬火介質(zhì)的淬火冷卻曲線，其中a為理想淬火冷卻曲線，它既能保持工件淬火，又不致于引起太大的變形，能減少淬火裂紋的產(chǎn)生。

圖三幾種介質(zhì)淬火冷卻曲線

在連桿調(diào)質(zhì)處理中我們選用的是40℃，5～10%的鹽水溶液，這種淬火介質(zhì)，在鼻子附近的冷卻速度較大，完全滿(mǎn)足理想要求。但在低溫200～300℃之間的冷速大些(大于理想要求)，由于實(shí)際生產(chǎn)的一些原因，沒(méi)有改變。在此，建議用114淬火劑為宜。

3 原材料的影響

為了分析原材料的影響，我們首先回顧一下淬透性的內(nèi)容，所謂鋼的淬透性，是鋼經(jīng)過(guò)加熱奧氏體化后，接受淬火的能力，它表示鋼淬火后從表面到心部的硬度分布情況，鋼的淬透性是鋼本身所固有的屬性，它與鋼的化學(xué)成份、原始組織、晶粒度以及零件的尺寸等有關(guān)，但主要與鋼的化學(xué)成份有關(guān)。

鋼的淬透性已成為選用鋼材及生產(chǎn)上制訂工藝規(guī)程的主要依據(jù)之一，這是因?yàn)殇摯慊饡r(shí)完全淬透，則沿其截面的性能將是一致的，如果淬火時(shí)不能完全淬透則自表面向中心的性能就會(huì)不同，但是鋼的淬透性愈大，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的體積變化也愈大，即在淬火時(shí)工件發(fā)生的變形及應(yīng)力也愈大。當(dāng)淬火應(yīng)力超過(guò)其斷裂極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

3.1 化學(xué)成份的影響

我們生產(chǎn)的l195柴油機(jī)連桿的材質(zhì)為45#鋼、45#鋼屬優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，實(shí)際生產(chǎn)中，化學(xué)成份超標(biāo)現(xiàn)象也偶有發(fā)生，其中起主要作用的元素有 si.mn.p.s.cr.ni。合金元素基本上不影響馬氏體的硬度，對(duì)于強(qiáng)度的影響也不大，合金元素對(duì)馬氏體的主要作用是明顯地提高馬氏體的塑性。實(shí)踐表明，碳鋼馬氏體中碳的分布是不均勻的，這會(huì)引起應(yīng)力的不均勻分布，從而降低塑性，加入合金元素以后，可以使馬氏體中的碳分布均勻化，因此，改善塑性。但大多數(shù)合金元素(cr.mn.si)只是在含量不超過(guò)一定的極限時(shí)，才增加馬氏體的塑性，超過(guò)極限后，將降低馬氏體的均勻性，使塑性和斷裂強(qiáng)度降低［1］，所以我們既希望鋼中有合金元素，但又不可過(guò)多。

si.mn.cr.ni都能增加鋼的淬透性，對(duì)淬透性的作用依次為：mn.cr.si.ni。不過(guò)，越提高鋼的淬透性，鋼的淬裂危險(xiǎn)性越大，并且，當(dāng)合金元素含量超過(guò)一定量時(shí)，則會(huì)降低鋼的淬透性。s.p是鋼中有害雜質(zhì)，鋼中含有這兩種元素要盡可能降低。

3.2 顯微組織的影響

這里主要探討鋼的晶粒度、魏氏組織及帶狀組織的影響。

從馬氏體形成原理看出，顯微裂紋主要是在粗大的馬氏體中形成的，而當(dāng)馬氏體非常細(xì)小時(shí)，則很少出現(xiàn)顯微裂紋，細(xì)小奧氏體晶?？蓽p少鋼的顯微裂紋。在奧氏體比較均勻的情況下，初期形成的馬氏體片的長(zhǎng)度和奧氏體的晶粒大小有關(guān)，粗大的奧氏體晶粒形成粗大馬氏體，易促成顯微裂紋形成。

生產(chǎn)中，我們要求連桿在調(diào)質(zhì)處理之前的預(yù)備處理為正火，這樣做的目的是在調(diào)質(zhì)處理前獲得比較均勻、細(xì)小的原始組織，減少甚至避免顯微裂紋的產(chǎn)生。

在亞共析鋼中分布特殊而呈片狀的鐵素體稱(chēng)為魏氏組織，魏氏組織及與其伴生的粗晶組織會(huì)使鋼的機(jī)械性能，尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低，所以我們要求魏氏組織不大于2級(jí)。

另外，鋼中顯微缺陷—帶狀組織、非金屬夾雜物的存在是淬火裂紋的根源，所以生產(chǎn)中連桿調(diào)質(zhì)之前，不希望存在這些缺陷。

3.3 宏觀缺陷的影響

工藝要求連桿縱剖面的宏觀組織中，纖維方向應(yīng)沿著連桿中心線并與外形相符，不得有紊亂及間斷，但實(shí)際生產(chǎn)中，有許多連桿從桿側(cè)面形成橫向裂紋，出現(xiàn)這種裂紋的連桿其落刺量很大。正常正火、淬火后，落刺部位的纖維流向出現(xiàn)的紊亂、間斷不能消除。以此可見(jiàn)淬火過(guò)程中，有較大應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。

因此，工藝上要求連桿的纖維流向外，還不允許連桿有折疊、裂紋、分層、夾渣等缺陷，以消除淬火裂紋源。

3.4 外觀形狀的影響

連桿槽內(nèi)圓角要求為r5，但我們對(duì)產(chǎn)生裂紋的連桿進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，槽內(nèi)有裂紋的連桿，其圓角基本不符合要求，也就是說(shuō)，外形槽內(nèi)無(wú)圓滑過(guò)渡的圓角，在淬火中，產(chǎn)生很大的淬火應(yīng)力，而易產(chǎn)生淬火裂紋。這是由于外形尺寸影響鋼的淬透性。棱角、無(wú)圓滑過(guò)渡圓角的零件，淬火后淬火應(yīng)力增強(qiáng)，故易在槽內(nèi)圓角處出現(xiàn)裂紋。

4 結(jié)論

連桿的調(diào)質(zhì)處理在淬火過(guò)程中，產(chǎn)生裂紋主要因素有：加熱溫度、材料的晶粒度、纖維流向、外形尺寸等。防止措施為：

(1)45#鋼，當(dāng)含碳量0.48%時(shí)，ac3陡降現(xiàn)象，我們根據(jù)每批連桿的化學(xué)成份不同，制定不同的加熱溫度。

(2)確保連桿在調(diào)質(zhì)前的供貨組織為正火組織，晶粒度不大于3級(jí)。

(3)確保連桿纖維方向沿著連桿中心線并與外形相符，不得有紊亂及間斷，不允許有折疊、裂紋、分層、夾渣等缺陷。

(4)要求連桿外形符合圖紙要求，尤其槽內(nèi)圓角應(yīng)保持r5，過(guò)渡圓滑。

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