图1  表面完好与表面撕裂样品对比

本文通过对转向十字轴轴颈缺陷的金相组织分析，寻求对其金相组织进行改进的方法以达到减少缺陷的目的。

金相组织分析

转向十字轴冷挤成形后轴颈面出现大量（近50%）的表面缺陷（表面撕裂）。为分析表面缺陷产生的原因，我们对冷挤十字轴及球化退火后的原材料进行金相分析。随机选择2件冷挤十字轴，一件表面撕裂，编号为1#；一件表面完好无损，编号为2#。表面完好及表面撕裂的十字轴对比如图1所示。

图2  处理后1#样品的金相组织

对1#样品进行切割、抛光和4%盐酸酒精溶液腐蚀，可以看出其金相组织为片状珠光体＋少量点状球化体＋铁素体（见图2），检测硬度为100HRB（因冷挤硬化，硬度有所增加）；对2#样品进行切割、抛光和4%盐酸酒精溶液腐蚀，可以看出其金相组织为球化体及点状球化体＋少量珠光体＋铁素体（见图3），检测硬度为98HRB（因冷挤硬化，硬度有所增加）。

图3  处理后2#样品的金相组织

1#样品与2#样品硬度无较大差异，但金相组织存在明显的区别：2#样品金相组织球化效果较好；1#样品球化效果差，金相组织仍存在片状珠光体，材料冷挤性能差。

对球化退火原材料进行检测（两炉），1#样品金相组织为少量片状珠光体＋球化体(包括点状球化体)＋铁素体（见图4），检测硬度为72～73HRB；2#样品金相组织为少量片状珠光体＋球化体(包括点状球化体)＋铁素体（见图5），检测硬度为72.5～73HRB。

图4  球化退火后1#样品的金相组织

球化效果差是导致十字轴冷挤表面撕裂的一个原因，当然并不排除其他如磷皂化膜厚度，尤其是皂化膜对十字轴冷挤时与模具内壁摩擦的润滑效果；以及十字轴本身存在的较大形变和结构等影响，如较小的轴颈根部R等。

图5  球化退火后2#样品的金相组织

工艺改进

我们从产品加工工艺分析可能产生裂纹的原因，经计算，该十字轴产品的料坯长径比为3.12，比料坯长径比小于2的冷挤工艺要求高很多，故冷挤时材料的瞬间流动很大，截面变化大的位置，材料流动性较差，导致冷挤性能差，十字轴轴径上产生裂纹。因产品结构的限制，无法采用长径比小的料坯，日本某模具公司的专家认为，料坯长径比如此大的产品不能冷挤，需要更改产品设计。我公司曾提出改进设计，降低料坯长径比，提高冷挤性能，但客户不同意更改设计，故需要探索开发适用于大长径比的冷挤新工艺。该产品的加工工艺为：下料－退火－喷丸－磷皂化－冷挤成形－转道检验。

图6  退火抛丸后1#样品的金相组织

1.退火抛丸

为了提高材料的冷挤压性能，提高塑性，降低变形抗力，改善金相组织，消除内应力，使毛坯获得良好的冷锻性，下料后的坯料需进行退火处理。我公司采用井式炉退火，经过2次退火，材料硬度控制在75HRB之内。为了去除退火后可能出现的氧化皮，必须进行抛丸处理。退火抛丸后，1#样品的金相组织为球化体＋铁素体（见图6），硬度为72～73HRB；2#样品的金相组织为球化体＋铁素体（见图7），硬度为71.5～73HRB。改进后的该十字轴退火棒料，球化效果有较小的差异，可以看出图6、图7的金相组织明显好于图4、图5。

图7  退火抛丸后2#样品的金相组织

2.磷皂化处理

为了降低冷挤压力，提高模具使用寿命与挤压件质量，冷挤压的润滑非常重要。为了提高润滑效果，我们对坯料进行了磷皂化处理，使其表面能形成一层磷化层，这层薄膜有良好的塑性，可以随金属一起变形。由于它呈多孔性，因此能够容纳一定量的润滑剂，使润滑剂在挤压中不致被挤掉，从而达到良好润滑的效果。此磷皂化处理包括了以下一系列的过程：酸洗－水洗1－水洗2－磷化－水洗3－中和－皂化。

3.冷挤成形

该产品在630t冲床上冷挤一次成形，经过试制分析，闭模力从20t调整到10～11t，锻造速度从35只/min调整到28只/min，这使得材料在模具中有充分的时间流动，避免由于流动不充分导致十字轴表面产生裂纹。

通过以上改进并试验后，该十字轴冷挤裂纹明显减少，经统计，裂纹废品率从50%降到0.64%。