活塞桿熱處理后開(kāi)裂原因分析

嚴(yán)綱+李劍+胡陳春

摘 要：在進(jìn)行45鋼活塞桿生產(chǎn)的過(guò)程中，活塞桿在經(jīng)過(guò)表面感應(yīng)加熱淬火后，其再進(jìn)行磨削加工則會(huì)有裂紋在其表面出現(xiàn)。對(duì)其成分和組織進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，活塞桿使用的原材滿足45鋼化學(xué)成分，但其并未經(jīng)過(guò)必要的調(diào)質(zhì)和鍛造，原始組織中的粗大網(wǎng)狀鐵素體大量保留，無(wú)法滿足后續(xù)的心部組織要求。此外，在加熱淬火時(shí)若操作不當(dāng)，硬化層中會(huì)存在軟帶，使表面硬度和硬化深度能夠遠(yuǎn)超于技術(shù)要求?；钊麠U在處理表面時(shí)若磨削不當(dāng)且誘發(fā)拉應(yīng)力，其中的鐵素體則會(huì)被撕裂，并在表面形成裂紋。

關(guān)鍵詞：活塞桿；熱處理；表面開(kāi)裂；原因分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.006

1 背景描述

某汽車零部件廠生產(chǎn)的活塞桿，用于減震器上，材質(zhì)為45鋼，該活塞桿熱處理工藝為高頻淬火+回火。表面鍍鉻后，烘烤去氫后未使用，著色檢驗(yàn)即發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀開(kāi)裂。熱處理工藝要求淬硬層深度0.7～1.1mm，硬度40～50HRC。

2 照片及宏觀分析

送檢樣品宏觀形貌如圖1所示，表面為客戶著色探傷后留下的痕跡。從圖中可以看出送檢樣品表面存在網(wǎng)狀分布的裂紋。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容及取樣方案

對(duì)送檢活塞桿取樣進(jìn)行成分分析、金相分析、硬度分析、裂紋分析，各樣品取樣位置如圖2所示。位置1為成分分析取樣位置，位置2為基體夾雜物及心部組織分析取樣位置，位置3和位置4為活塞桿表面組織及裂紋分析取樣位置。

3.2 成分分析

對(duì)送檢樣品取樣進(jìn)行成分分析，分析儀器為紅外碳硫分析儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《GB/T 20123-2006鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外線吸收法》和《CSM 07 03 94 01-2003合金鋼-錳、磷、鉻、鎳、鉬、銅、釩、鈷、鈦、鋁含量的測(cè)定-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》。 試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，送檢樣品各元素成分滿足《GB/T 699 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中45鋼的要求。

3.3 金相及裂紋分析

（1）基體夾雜物及基體組織。夾雜物分析參照GBT10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》。結(jié)果夾雜物等級(jí)為A0.5。這表明送檢活塞桿夾雜物較少，材質(zhì)較為純凈。

由于高頻淬火的影響范圍僅是表面1.5mm以內(nèi)，送檢活塞桿的基體（心部）組織即表面高頻淬火前組織，送檢活塞桿基體（心部）組織分析參照《GB/T 13299-1991金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，腐蝕劑為硝酸酒精。橫、縱截面組織均為鐵素體+珠光體，此為45鋼正常正火態(tài)組織，鐵素體在縱截面分布呈方向性，此為鍛造變形的結(jié)果，基體組織中未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱、魏氏組織、微裂紋等缺陷。

（2）表面組織及裂紋分析。樣品3和樣品4經(jīng)鑲嵌、腐蝕后宏觀照片如圖3所示。樣品3表面發(fā)現(xiàn)5條裂紋，樣品4表面發(fā)現(xiàn)4條裂紋。本文在樣品3和樣品4各取3條裂紋進(jìn)行分析，樣品3的裂紋如圖3～8所示，樣品4的裂紋形態(tài)與樣品2基本一致，因此未附圖。

樣品3和樣品4表面淬硬層組織為回火馬氏體+少量鐵素體，根據(jù)JB/T9204-2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》，級(jí)別為6級(jí)（微細(xì)馬氏體），淬硬層深度為900～1000mm，滿足熱處理工藝淬硬層深度0.7～1.1mm的要求。同時(shí)JB/T9204標(biāo)準(zhǔn)指出，對(duì)于表面淬硬層硬度下限低于55HRC時(shí)，3～9級(jí)為合格。因此送檢活塞桿表面高頻淬火后組織合格。從樣品3和樣品4還可看出，樣品表面存在較多裂紋，裂紋深度為整個(gè)淬硬層，大部分裂紋已貫穿鍍鉻層，擴(kuò)展至表面。主裂紋由于寬度較大，不宜判斷裂紋性質(zhì)。從圖4和圖6主裂紋旁的微裂紋來(lái)看，裂紋起源于淬硬層，裂紋沿晶（原奧氏體晶界）擴(kuò)展，裂紋內(nèi)無(wú)氧化，裂紋兩側(cè)無(wú)明顯脫碳，裂紋尖端較細(xì)。這表明裂紋為淬火裂紋。

3.4 硬度分析

硬度分析在樣品3的淬硬層上進(jìn)行，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4340.1《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第一部分：試驗(yàn)方法》（儀器型號(hào)HVS-50Z），結(jié)果如表2所示。硬度均值為518HV，換算成洛氏硬度為49.3HRC，符合產(chǎn)品硬度40～50HRC的要求，但是達(dá)到要求的上限。

4 綜合分析

通過(guò)對(duì)送檢活塞桿的成分分析、金相分析、裂紋分析、硬度分析等，得出如下結(jié)果：

（1）成分滿足《GB/T699-1999優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45號(hào)鋼的成分要求。

（2）送檢活塞桿夾雜物等級(jí)為A0.5。這表明送檢活塞桿夾雜物較少，材質(zhì)較為純凈。

（3）送檢活塞桿心部組織（即高頻淬火前組織）為鐵素體+珠光體，此為45鋼正常正火態(tài)組織，基體組織中未發(fā)現(xiàn)過(guò)熱、魏氏組織、微裂紋等缺陷。高頻淬火前組織正常。

（4）送檢活塞桿高頻淬火后淬硬層深度900～1000μm，滿足產(chǎn)品0.7～1.1mm的要求。

（5）送檢活塞桿表面存在大量裂紋，裂紋起源于淬硬層內(nèi)部，深度為淬硬層的深度。裂紋起源于淬硬層，裂紋沿原奧氏體晶界擴(kuò)展，裂紋內(nèi)無(wú)氧化，裂紋兩側(cè)無(wú)明顯脫碳，裂紋尖端較細(xì)。裂紋為典型淬火裂紋。

（6）送檢活塞桿淬硬層硬度為518HV，換算成洛氏硬度為49.3HRC，符合產(chǎn)品硬度40～50HRC的要求，但已達(dá)到上限。

上述試驗(yàn)分析表明，送檢活塞桿的裂紋為淬火裂紋，淬火裂紋產(chǎn)生在淬火過(guò)程中，與后期鍍鉻并無(wú)關(guān)系。當(dāng)淬火產(chǎn)生的巨大應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度并超過(guò)塑性變形極限時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始進(jìn)行后不久產(chǎn)生，因此，淬火裂紋產(chǎn)生于淬火的冷卻過(guò)程，一般為200多度（即Ms點(diǎn)以下），與該溫度區(qū)間的冷卻速度過(guò)快有關(guān)。

5 結(jié)論與建議

（1）送檢活塞桿的裂紋為淬火裂紋，產(chǎn)生在淬火過(guò)程中，與后期鍍鉻并無(wú)關(guān)系。

（2）建議適當(dāng)調(diào)整高頻淬火的冷卻速度，在保證得到馬氏體的基礎(chǔ)上，降低冷卻速度，減小淬火應(yīng)力，防止淬火裂紋的發(fā)生。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某汽車零部件廠生產(chǎn)的45鋼活塞桿熱處理后的開(kāi)裂情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)活塞桿的裂紋實(shí)際為淬火裂紋，并不是在后期鍍鉻中產(chǎn)生的。因此應(yīng)當(dāng)將淬火冷卻速度適當(dāng)降低，降低淬火應(yīng)力，避免出現(xiàn)裂紋。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴樂(lè)陽(yáng)，林少芬，楊勝州等.45鋼制活塞桿開(kāi)裂原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（02）：119-121.

[2]蘇增強(qiáng)，李永亮，李玉明.20Cr2Ni4鋼活塞桿環(huán)狀裂紋成因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2016，52（06）：422-426.

[3]朱麗紅.往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿開(kāi)裂失效分析[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2016（01）：59-61.

[4]陳建國(guó)，杜培德.2DZ5.5-1.8/285-320型氮?dú)錃庋h(huán)壓縮機(jī)活塞桿斷裂事故原因分析[J].流體機(jī)械，2002，30（03）：30-32.

[5]曹開(kāi)磊，曾正宏，陸存松.某型飛機(jī)起落架活塞桿磨削裂紋原因分析[C].全國(guó)航空航天裝備失效分析研討會(huì)，2006.

[6]曲德毅，高志強(qiáng).往復(fù)壓縮機(jī)2C13活塞桿失效分析[J].熱處理技術(shù)與裝備，2015，36（01）：54-57.endprint