液壓挖掘機用高壓軟管接頭開裂原因

吳 信

[日立建機(中國)有限公司，合肥 230601]

高壓軟管接頭是液壓系統(tǒng)的一個重要輔助件,該零件是否牢固,直接影響機械的使用壽命和質(zhì)量。某型號液壓挖掘機上高壓軟管接頭的材料是45鋼，加工工藝為：下料→機加工→加熱→彎管→電鍍→入庫，工作時最高壓力為34 MPa,在服役110 h后發(fā)生了接頭開裂事故，如圖1所示。

由于接頭突然開裂，導致液壓油泄漏，給客戶造成了嚴重的損失。為查明接頭開裂的原因，筆者對開裂接頭進行了理化檢驗和再現(xiàn)試驗，并對高壓軟管接頭的生產(chǎn)工藝進行了調(diào)查。

圖1 開裂高壓軟管接頭宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of cracked high-pressure hose tube fitting

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

開裂軟管接頭外表面無其他磕碰傷痕，開裂位于彎管外側(cè)，斷口新鮮，有金屬光澤，呈亮灰色；斷口上放射線清晰，指向高壓軟管接頭內(nèi)壁，且無明顯塑性變形，為一次性斷裂，如圖2所示。

圖2 開裂高壓軟管接頭斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture ofcracked high-pressure hose tube fitting

1.2 化學成分分析

對開裂軟管接頭取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》的技術(shù)要求，使用ARL4460型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。可見開裂軟管接頭的化學成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼的要求。

表1 開裂軟管接頭的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the crackedhose tube fitting (mass fraction) %

1.3 斷口分析

使用JSM-6510型掃描電鏡(SEM)對開裂軟管接頭的裂紋源區(qū)進行觀察，如圖3a)所示。裂紋源區(qū)起點處的斷口微觀形貌為沿金屬晶粒界面分離的冰糖狀斷裂形貌，且沿晶斷口上存在二次裂紋，屬于典型的脆性斷裂特征，如圖3b)所示。同時在沿晶斷口上還有穿晶和晶界面上的刻痕線，如圖3c)所示。裂紋沿軟管接頭壁厚方向快速擴展、撕裂，裂紋擴展區(qū)SEM形貌有明顯的河流花樣和撕裂棱的存在，判斷為準解理面，也符合脆性斷裂的特征，如圖3d)所示。

1.4 金相檢驗

在開裂軟管接頭的裂紋源區(qū)用線切割垂直切取試樣，經(jīng)過鑲嵌、磨拋、浸蝕后使用Olympus GX51型光學顯微鏡對試樣進行觀察，取樣及觀察位置如圖4所示。

圖3 高壓軟管接頭斷口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture of high-pressure hose tube fitting: a) crack source zone; b) intergranular morphology; c) intergranular and transgranular morphology; d) crack propagation zone

斷口截面近端處的顯微組織均為馬氏體+鐵素體+珠光體，如圖5a)和圖5b)所示。斷口截面遠端處的顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖5c)所示。單一的軟管接頭在同一截面上有多種顯微組織存在且分布不均勻，證明生產(chǎn)工藝存在波動。取同批次新品軟管接頭觀察同一位置截面的顯微組織進行對比，可知新品軟管接頭的顯微組織均為鐵素體+珠光體，如圖5d)所示。再次證明失效軟管接頭存在組織異常[1-2]。

1.5 硬度測試

在開裂軟管接頭的斷口上垂直取樣，同時為了對比分析，在新品軟管接頭的相同位置也進行取樣。試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后進行維氏硬度試驗，測試位置分布在試樣的整個截面，結(jié)果如表2所示。可見開裂軟管接頭硬度不均勻，斷口近端硬度高達737 HV10，斷口遠端硬度在230 HV10左右；而新品軟管接頭的硬度均勻，未見明顯波動，且符合企業(yè)技術(shù)文件的要求。

圖4 金相檢驗的取樣位置及觀察位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of a) sampling position andb) observation positions for metallographic examination

表2 高壓軟管接頭硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of high-pressure hose tube fitting HV10

1.6 再現(xiàn)試驗

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)進行工藝排查，鎖定在加熱彎管(圖6所示)、冷卻以及電鍍兩個工藝環(huán)節(jié)，并設(shè)定了幾種條件進行再現(xiàn)試驗。將彎管加熱后以不同的方式冷卻，再進行電鍍，之后在30 MPa壓力下進行交變載荷耐壓試驗,再現(xiàn)試驗的工藝參數(shù)及結(jié)果如表3所示。通過再現(xiàn)試驗可知，試驗1正常工藝條件，即加熱彎管后經(jīng)過空冷和電鍍工序，電鍍時的溫度為30～70 ℃、電流密度為5 A·dm-2、時間為5 min，軟管接頭不會發(fā)生開裂。非正常工藝條件下，試驗2如果不進行電鍍，也不會開裂，間接證明了加熱彎管經(jīng)過空冷后，材料在該電鍍工藝條件下是不會導致氫脆的；試驗3和4在加熱彎管后快速水冷，再進行電鍍，此時熱的軟管接頭遇到急冷，材料的組織發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，同時電鍍工藝給材料組織的氫脆敏感性創(chuàng)造了條件，于是在不同壓力下，就會出現(xiàn)裂紋和開裂，如圖7所示。因此判斷非正常的工藝條件，即只要具備加熱彎管后快速水冷使組織發(fā)生突變，電鍍工藝中氫的入侵以及工作應力較大這3個條件，就會導致軟管接頭開裂。

圖5 開裂軟管接頭和新品軟管接頭的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the cracked hose tube fitting and new hose tube fitting:a) zone 1 of cracked hose tube fitting; b) zone 2 of cracked hose tube fitting;c) zone 3 of cracked hose tube fitting; d) new hose tube fitting

圖6 感應加熱彎管示意圖Fig.6 Schematic diagram of induction heating bend tube

圖7 試驗3再現(xiàn)裂紋示意圖Fig.7 Schematic diagram of crack reproduction of test 3

表3 再現(xiàn)試驗的工藝參數(shù)及結(jié)果Tab.3 Process parameters and results of reproducibility test

2 分析與討論

根據(jù)化學成分分析結(jié)果可知，高壓軟管接頭符合相關(guān)技術(shù)文件的要求。

通過金相檢驗，并與新品軟管接頭的顯微組織進行對比可知，正常工藝生產(chǎn)的軟管接頭顯微組織應為鐵素體+珠光體的平衡態(tài)組織，但開裂軟管接頭的顯微組織中出現(xiàn)了馬氏體。馬氏體的產(chǎn)生是因為材料的溫度從AC3點以上，以較大的過冷度急速冷卻到了MS點以下形成的，該顯微組織強度高、殘余應力大，質(zhì)硬且脆，具有較高的氫脆敏感性[3-4]，硬度測試的結(jié)果也能說明開裂軟管接頭斷口端的硬度較高。考慮到彎管過程的加熱溫度在820 ℃左右，接近45鋼的淬火溫度，斷裂位置又在加熱彎曲處，加上快速冷卻導致顯微組織中形成馬氏體。在詢問供應商的生產(chǎn)管理情況時發(fā)現(xiàn)，操作者在每天試生產(chǎn)第一件產(chǎn)品前需要確認模具彎管的角度，為了提高效率，在加熱彎管結(jié)束后，并未等彎管接頭完全冷卻，就直接用流動的自來水冷卻，給馬氏體的形成創(chuàng)造了條件。

通過掃描電鏡觀察斷口，可以看到明顯的沿晶脆斷特征。氫致延遲開裂斷口的微觀形貌可以表現(xiàn)為沿晶、準解理、解理等任何一種類型，多數(shù)情況下是沿晶和準解理的混合形貌。氫原子擴散到陷阱(空穴、枝晶間隙、非金屬夾雜物、晶界的位錯間)處會結(jié)合為氫分子，氫分子結(jié)合過程中體積急劇增加，從而產(chǎn)生很大的內(nèi)壓。隨著氫原子的擴散，氫分子的壓力不斷增加，當壓力超出了材料的強度極限時，微裂紋在此處形核，并逐漸擴展成為裂紋[5-6]。氫原子來源于電鍍過程中的酸洗工序，且電鍍本身也是一種充氫的過程，開裂軟管接頭經(jīng)過電鍍工藝環(huán)節(jié)，組織中難免會有氫原子的入侵。

另外，拉應力的存在，無論是內(nèi)應力還是外應力，均會促進氫原子的擴散，從而加速微裂紋的擴展。因為氫原子的擴散和聚集是需要時間的，所以這種應力應為緩慢加載或是低于材料強度極限以下某個應力，且保持了一段時間。隨著材料強度的增加，氫脆敏感性也會增加[7-8]。

利用再現(xiàn)試驗證明，軟管接頭的開裂一定是在材料顯微組織中出現(xiàn)了馬氏體、后期電鍍工藝中氫的入侵以及承受拉應力這3種條件的共同作用下發(fā)生，使得服役時間很短的高壓軟管接頭發(fā)生開裂失效事故。

3 結(jié)論及建議

軟管接頭發(fā)生開裂的主要原因是生產(chǎn)工藝不當導致異常組織馬氏體的產(chǎn)生，電鍍工序后引發(fā)了氫致延遲開裂。

建議在生產(chǎn)管理上嚴格區(qū)分合格件和不合格件，杜絕混入不合格件；嚴格管控每一道生產(chǎn)工序，從工藝角度改善零部件的品質(zhì)，從而提高軟管接頭的可靠性。