活塞杆热处理后开裂原因分析

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。

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