文/李波，周鹏，曾省建·中车资阳机车有限公司
连杆是发动机中主要传动部件之一，它将活塞与曲轴联接起来，使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动，以输出动力。在柴油发动机工作过程中，连杆承受膨胀气体交变压力和惯性急剧变化产生的动载荷，这就要求连杆应具有足够的强度和刚度。
本文从合金钢连杆(图1)热处理裂纹质量问题入手，深入分析产生的原因，制定具有针对性和指导性的措施，通过采用合适的热处理工艺和操作，达到产品技术要求，并为后续相关产品的设计和生产提供经验和技术支持。
图1 合金钢连杆模型图
产品技术要求原材料
材质：42CrMoA 钢，按照GB/T 3077-2015 ，化学成分含量见表1。
表1 42CrMoA 原材料化学成分含量(%)
生产流程及技术要求
⑴锻件重98kg，经两次加热变形、采用整体锻造成形，具体生产流程为：下料→加热出坯→加热模锻→焊割大小头孔→热处理→镗孔→探伤→抛丸→防锈→发货。
⑵产品交货状态为调质，每炉随机抽取一件实物试样取试(图2)，按照纵向1 套、横向1 套(参考)，达到的技术要求见表2。
表2 合金钢连杆技术要求
图2 合金钢连杆实物取试示意图
质量问题发生及解决问题描述
该产品在首批生产时，在热处理调质后进行磁粉探伤工序，发现个别产品的大小头孔处出现裂纹缺陷，裂纹为多条且垂直于大小头孔呈放射状展开，见图3。
图3 裂纹表面状态
情况调查
经调查：该产品经锻造后，采用焊割方式去除大小头孔处连皮，连皮厚度约10 ～15mm，焊缝边缘呈现锯齿状并有尖锐凸起及凹陷处。在此状态下产品直接进入热处理工序，热处理方式采用正火、调质，为满足900 ～1050MPa 的强度要求，淬火冷却采用水淬。
原因分析
⑴机械性能检测。
随机解剖出现裂纹的两件产品，按要求在纵向、横向取试并进行拉伸和冲击试验，所得结果见表3。
从表3 可以看出，采用上述热处理方式(水冷)，产品机械性能中强度、冲击以及硬度都满足技术要求，屈强比达到0.85 左右，且冲击值都在100J 以上，远高于要求值(35J)，表明产品热处理效果良好。
表3 热处理后实物机械性能数据
⑵裂纹金相分析。
在裂纹部位取样进行化学成分分析，结果显示，材料符合42CrMoA 技术条件要求，见表4。
表4 裂纹处原材料化学成分含量%
宏观观测，出现裂纹处有明显的挤压和切割痕迹，且痕迹处都有裂纹出现，裂纹由表面呈放射状扩展，切开后裂纹见图4。
图4 裂纹宏观状态
分别在裂纹开口、中间及尾部取样，制样后抛光状态观察，裂纹开口较小，刚直曲折扩展且尾部尖细，开口、中间及裂纹尾部两侧未观察到脱碳现象和非金属夹杂物，图5。产品的非加工面有约0.3mm 的脱碳层，金相组织为均匀的回火索氏体，无过热过烧现象，见图6。
图5 裂纹开口、中间形貌、尾部形貌(放大100 倍)
图6 裂纹开口、尾部、基体组织(放大500 倍)
⑵工艺及操作分析。
该连杆技术要求较高，采用油基淬火液无法满足强度和冲击值的要求，选择水淬满足机械性能要求，但是却成为产生应力裂纹的根本原因。再者，该连杆经加热模锻后采用焊割方式去除大小头孔连皮，焊割后孔的边缘呈不规则及参差不齐的锯齿状，且焊割孔的大小不一致，部分产品由于焊割的孔较小，留有的连皮较多且10 ～15mm 的连皮厚度形成最危险淬裂尺寸(水淬时8 ～15mm)，综上因素，在后序热处理水淬时成为应力集中初始源。
从上述机械性能、金相以及工艺操作等分析可以判定：该裂纹为典型的热处理应力超过材料的断裂强度引起的淬火开裂现象。
图8中橡胶粉掺量为0%的PVA-ECC基准试件，其韧性数据基于文献[13]。图8结果表明，橡胶粉掺量为10%的复合材料各压缩韧性指数明显大于基准复合材料；当掺量提高至20%时，压缩韧性指数基本与基准试件相同。因此，从压缩韧性角度分析，10%的橡胶粉掺量有利于提高试件压缩韧性、延性及耗能能力。同时，前述结果表明，10%掺量试件抗压强度与基准试件相近。
针对分析结果，在保证达到产品技术要求的前提下，分别调整以下工序和工艺参数。
⑴调整生产流程为：下料→加热出坯→加热模锻→焊割大小头孔→镗孔→热处理→探伤→抛丸→防锈→发货。
产品经焊割去除大小头孔连皮后进行镗孔并对孔的根部进行清除及倒角处理，降低最危险淬裂尺寸，消除应力集中点，再进入热处理工序进行正火、调质。
⑵调整热处理参数：排除油基淬火液和清水两类介质，改为冷却速率在其之间的水溶性介质，要点是控制好水溶性介质浓度，并适当调整淬火和高温回火温度，以满足产品技术要求。
验证结论
选取产品执行上述整改措施，热处理后进行磁粉探伤检测未出现裂纹等缺陷，随机选取两件实物试棒按要求进行纵向、横向取试，得到如下数据，见表5：
表5 改进后实物机械性能数据
⑴通过调整生产流程，从根本上降低了热处理裂纹产生的风险；
⑵热处理冷却介质的适当选取以及热处理参数的调整，是获得满足技术要求的产品并避免批量质量问题的关键。
——文章选自：《锻造与冲压》2022年第3期
