缸底件鍛后調(diào)質(zhì)處理開裂失效分析

金林奎　王春亮　趙建國

摘 要：該文主要分析凱旭公司液壓傳動用缸底鍛件，材質(zhì)為45#普通碳素鋼，經(jīng)熱加工鍛造及調(diào)質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)缸底內(nèi)側(cè)縱向開裂。對該失效件進(jìn)行理化檢測分析，結(jié)果表明試樣組織中，由于非金屬夾雜物引起的帶狀組織嚴(yán)重，縱向抗破斷強(qiáng)度明顯小于橫向鍛造應(yīng)力及調(diào)質(zhì)處理過程中的淬火應(yīng)力，遠(yuǎn)大于組織的晶間結(jié)合力，造成淬火開裂。

關(guān)鍵詞：帶狀組織 過熱組織 晶間開裂

中圖分類號：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0068-01

1 狀態(tài)說明

（1）凱旭公司液壓傳動用缸底件，缸底的體積較大，重量達(dá)890 kg，設(shè)計(jì)要求應(yīng)有較高的強(qiáng)度和較好的韌性。因此選用中碳鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，保證工件正常運(yùn)行和使用壽命。

（2）材質(zhì)為45#鋼的缸底件，材料熱加工工藝為鍛造后調(diào)質(zhì)處理。據(jù)調(diào)查鍛造加熱采用煤油噴管式燃燒加熱，加熱溫度較難控制。調(diào)質(zhì)處理后，缸底件的內(nèi)孔部位出現(xiàn)數(shù)條縱向開裂裂紋，工件中間部位裂縫較大，兩端面縫隙較小。

（3）由工件中部線切割切取樣塊，切取下來的樣塊裂為兩半，裂縫部位顯示出粗大的沿晶裂紋。樣塊剖開后，目測可見斷裂面呈粗大木紋狀斷口的形貌特征。

2 化學(xué)分析

（1）在生產(chǎn)加工記錄表中，追溯到該批產(chǎn)品的質(zhì)保書，查到原材料批號、材料牌號、圓鋼直徑。從庫存中的原材料上截取樣塊，以供化學(xué)成分檢測。

（2）截取尺寸為長25×寬25×厚15mm的原材料樣塊，進(jìn)行化學(xué)成分檢測。檢測設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結(jié)果表明化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 金相分析

（1）金相顯微鏡低倍率觀察，試樣表面開口處裂紋平直，裂紋寬度較大，大部分區(qū)域顯示為穿晶開裂的形貌特征即瞬間開裂的剪切唇。主裂紋旁邊的二次裂紋呈曲折的沿晶擴(kuò)展開裂，裂紋附近可見明顯的白亮色帶狀組織。二次裂紋的沿晶擴(kuò)展開裂形式，表明材料組織的脆性較大。

（2）裂紋中部金相組織顯示，粗大原始的晶粒正在剝落分離，有些裂紋部位已經(jīng)完全剝落分開。經(jīng)晶粒度標(biāo)準(zhǔn)測量，這種粗大的穩(wěn)定化過熱組織，加熱溫度已經(jīng)超過1200 ℃，材料組織的晶粒急劇長大。在1200 ℃以上的鍛造溫度下，鍛造熱加工后空冷的過程中，在晶界上形成強(qiáng)度很低的脆性層，這就是穩(wěn)定化過熱組織的遺傳性。后序的調(diào)質(zhì)處理，只能將鍛造過熱的粗大連續(xù)網(wǎng)改變?yōu)閿嗬m(xù)網(wǎng)。

（3）在裂紋擴(kuò)展的大部分區(qū)域，呈現(xiàn)筆直的帶狀裂紋，裂紋沿白亮色帶狀組織交錯延伸，裂紋交接處鍥向開裂。這種由非金屬夾雜物形成的帶狀組織，正常正火及調(diào)質(zhì)處理溫度是無法消除的，只有采用加熱溫度在1100 ℃以上的擴(kuò)散退火才能改善。

（4）帶狀組織的白亮區(qū)內(nèi)，存在較嚴(yán)重的非金屬夾雜物，夾雜物呈淺灰色長條狀分布，夾雜物兩端近似仿錘狀，塑性較好，根據(jù)非金屬夾雜物的形狀和特征分析，這種非金屬夾雜物屬于典型的A類硫化鐵、硫化錳夾雜物⑹。由于工件體積龐大，屬于大型鍛件，調(diào)質(zhì)處理淬火無法使工件心部發(fā)生馬氏體相變，只能保存原始的鍛造組織，于是原始粗大過熱組織保留了下來。

4 結(jié)論分析

（1）鋼加熱到穩(wěn)定化過熱組織的溫度以上，硫化鐵、硫化錳夾雜物在晶界上發(fā)生偏析，或產(chǎn)生大量微細(xì)的硫化物顆粒在晶界沉淀。隨著加熱溫度提高，奧氏體中的過飽和度進(jìn)一步增加，在隨后冷卻過程中，硫化物雜質(zhì)在奧氏體晶界上析出更為嚴(yán)重，以致產(chǎn)生硫化鐵、硫化錳及其共晶體沉淀，晶界顯著弱化及脆化。

（2）存在有穩(wěn)定化過熱組織的零件受力時(shí)，沿晶界析出的第二相質(zhì)點(diǎn)，使晶間結(jié)合力顯著降低，促使沿奧氏體晶界開裂。

（3）試樣原始帶狀組織嚴(yán)重，且?guī)罱M織內(nèi)存在大量的硫化物夾雜。在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硫化物共晶體熔點(diǎn)的1200 ℃以上溫度鍛造加工，帶狀組織內(nèi)的硫化物共晶體必然熔化，鍛造時(shí)沿含有液態(tài)硫化物的帶狀組織撕開。后序的調(diào)質(zhì)熱處理的淬火應(yīng)力，使原始的鍛造裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終呈現(xiàn)木紋狀開裂的形貌特征。

5 改進(jìn)措施

（1）對于原材料帶狀組織嚴(yán)重的偏析組織，以及鍛造加工造成的穩(wěn)定化過熱組織，工件在調(diào)質(zhì)處理之前必須預(yù)先熱處理。預(yù)先熱處理采用高溫?cái)U(kuò)散退火加完全退火的加工工藝。完全退火的目的，是細(xì)化高溫?cái)U(kuò)散退火產(chǎn)生的粗大晶粒，提高鍛件抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度，為后期熱處理的質(zhì)量提供保障。

（2）調(diào)質(zhì)熱處理時(shí)，在加熱過程中應(yīng)緩慢升溫，最好采用階梯式加熱，在400 ℃左右保溫2 h，在600 ℃左右保溫2 h，然后升溫至淬火溫度保溫1.5 h。工件出加熱爐膛淬火時(shí)應(yīng)首先預(yù)冷，淬火介質(zhì)采用等溫淬火油，淬火后必須帶溫出油，利用出油余熱產(chǎn)生自回火，最大限度地降低淬火應(yīng)力。在高溫回火時(shí)也必須緩慢加熱，同樣必須防止熱應(yīng)力過大而開裂。

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