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活塞杆热处理后开裂原因分析

2018-02-07严纲李剑胡陈春

山东工业技术 2018年4期
关键词:活塞杆热处理

严纲+李剑+胡陈春

摘 要:在进行45钢活塞杆生产的过程中,活塞杆在经过表面感应加热淬火后,其再进行磨削加工则会有裂纹在其表面出现。对其成分和组织进行分析发现,活塞杆使用的原材满足45钢化学成分,但其并未经过必要的调质和锻造,原始组织中的粗大网状铁素体大量保留,无法满足后续的心部组织要求。此外,在加热淬火时若操作不当,硬化层中会存在软带,使表面硬度和硬化深度能够远超于技术要求。活塞杆在处理表面时若磨削不当且诱发拉应力,其中的铁素体则会被撕裂,并在表面形成裂纹。

关键词:活塞杆;热处理;表面开裂;原因分析

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

1 背景描述

某汽车零部件厂生产的活塞杆,用于减震器上,材质为45钢,该活塞杆热处理工艺为高频淬火+回火。表面镀铬后,烘烤去氢后未使用,着色检验即发现网状开裂。热处理工艺要求淬硬层深度0.7~1.1mm,硬度40~50HRC。

2 照片及宏观分析

送检样品宏观形貌如图1所示,表面为客户着色探伤后留下的痕迹。从图中可以看出送检样品表面存在网状分布的裂纹。

3 试验分析

3.1 试验内容及取样方案

对送检活塞杆取样进行成分分析、金相分析、硬度分析、裂纹分析,各样品取样位置如图2所示。位置1为成分分析取样位置,位置2为基体夹杂物及心部组织分析取样位置,位置3和位置4为活塞杆表面组织及裂纹分析取样位置。

3.2 成分分析

对送检样品取样进行成分分析,分析仪器为红外碳硫分析仪、电感耦合等离子体发射光谱。试验标准为《GB/T 20123-2006钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外线吸收法》和《CSM 07 03 94 01-2003合金钢-锰、磷、铬、镍、钼、铜、钒、钴、钛、铝含量的测定-电感耦合等离子体发射光谱法》。 试验结果如表1所示,送检样品各元素成分满足《GB/T 699 优质碳素结构钢》中45钢的要求。

3.3 金相及裂纹分析

(1)基体夹杂物及基体组织。夹杂物分析参照GBT10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》。结果夹杂物等级为A0.5。这表明送检活塞杆夹杂物较少,材质较为纯净。

由于高频淬火的影响范围仅是表面1.5mm以内,送检活塞杆的基体(心部)组织即表面高频淬火前组织,送检活塞杆基体(心部)组织分析参照《GB/T 13299-1991金属显微组织检验方法》,腐蚀剂为硝酸酒精。横、纵截面组织均为铁素体+珠光体,此为45钢正常正火态组织,铁素体在纵截面分布呈方向性,此为锻造变形的结果,基体组织中未发现过热、魏氏组织、微裂纹等缺陷。

(2)表面组织及裂纹分析。样品3和样品4经镶嵌、腐蚀后宏观照片如图3所示。样品3表面发现5条裂纹,样品4表面发现4条裂纹。本文在样品3和样品4各取3条裂纹进行分析,样品3的裂纹如图3~8所示,样品4的裂纹形态与样品2基本一致,因此未附图。

样品3和样品4表面淬硬层组织为回火马氏体+少量铁素体,根据JB/T9204-2008《钢件感应淬火金相检验》,级别为6级(微细马氏体),淬硬层深度为900~1000mm,满足热处理工艺淬硬层深度0.7~1.1mm的要求。同时JB/T9204标准指出,对于表面淬硬层硬度下限低于55HRC时,3~9级为合格。因此送检活塞杆表面高频淬火后组织合格。从样品3和样品4还可看出,样品表面存在较多裂纹,裂纹深度为整个淬硬层,大部分裂纹已贯穿镀铬层,扩展至表面。主裂纹由于宽度较大,不宜判断裂纹性质。从图4和图6主裂纹旁的微裂纹来看,裂纹起源于淬硬层,裂纹沿晶(原奥氏体晶界)扩展,裂纹内无氧化,裂纹两侧无明显脱碳,裂纹尖端较细。这表明裂纹为淬火裂纹。

3.4 硬度分析

硬度分析在样品3的淬硬层上进行,试验标准为GB/T 4340.1《金属维氏硬度试验 第一部分:试验方法》(仪器型号HVS-50Z),结果如表2所示。硬度均值为518HV,换算成洛氏硬度为49.3HRC,符合产品硬度40~50HRC的要求,但是达到要求的上限。

4 综合分析

通过对送检活塞杆的成分分析、金相分析、裂纹分析、硬度分析等,得出如下结果:

(1)成分满足《GB/T699-1999优质碳素结构钢》对45号钢的成分要求。

(2)送检活塞杆夹杂物等级为A0.5。这表明送检活塞杆夹杂物较少,材质较为纯净。

(3)送检活塞杆心部组织(即高频淬火前组织)为铁素体+珠光体,此为45钢正常正火态组织,基体组织中未发现过热、魏氏组织、微裂纹等缺陷。高频淬火前组织正常。

(4)送检活塞杆高频淬火后淬硬层深度900~1000μm,满足产品0.7~1.1mm的要求。

(5)送检活塞杆表面存在大量裂纹,裂纹起源于淬硬层内部,深度为淬硬层的深度。裂纹起源于淬硬层,裂纹沿原奥氏体晶界扩展,裂纹内无氧化,裂纹两侧无明显脱碳,裂纹尖端較细。裂纹为典型淬火裂纹。

(6)送检活塞杆淬硬层硬度为518HV,换算成洛氏硬度为49.3HRC,符合产品硬度40~50HRC的要求,但已达到上限。

上述试验分析表明,送检活塞杆的裂纹为淬火裂纹,淬火裂纹产生在淬火过程中,与后期镀铬并无关系。当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时,便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生,因此,淬火裂纹产生于淬火的冷却过程,一般为200多度(即Ms点以下),与该温度区间的冷却速度过快有关。

5 结论与建议

(1)送检活塞杆的裂纹为淬火裂纹,产生在淬火过程中,与后期镀铬并无关系。

(2)建议适当调整高频淬火的冷却速度,在保证得到马氏体的基础上,降低冷却速度,减小淬火应力,防止淬火裂纹的发生。

6 结语

本文对某汽车零部件厂生产的45钢活塞杆热处理后的开裂情况进行分析,发现活塞杆的裂纹实际为淬火裂纹,并不是在后期镀铬中产生的。因此应当将淬火冷却速度适当降低,降低淬火应力,避免出现裂纹。

参考文献:

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