35CrMo鋼制球銷斷裂失效分析及對策

林仁敢,張小可,紀仁峰

(寶鋼特鋼長材有限公司,上海 200940)

1 概述

球銷是汽車轉向拉桿接頭總成系統的重要組成部分,是保證汽車操縱穩定和平穩的關鍵零部件之一[1-2]。該零件通常采用淬透性良好的合金結構鋼,采用拉拔硬化后冷鐓成型,同時采用淬回火進行硬化處理,以提高零件耐磨性和疲勞壽命[3-5]。球銷在服役過程中,往往受到頻繁周向往復作用力,同時由于汽車駕駛復雜的工況條件,包括球銷頸部在內,也承受較高的沖擊載荷。因此,在服役過程中,經常會出現球銷零件斷裂、掉肉或變形等失效情況,從而導致轉向系統故障,給汽車安全平穩駕駛帶來嚴重后果。

本文針對下游某客戶的轉向球銷在臺架測試時發生的橫向斷裂進行了失效分析。失效樣品用鋼牌號為35CrMo,該球銷的加工流程為:盤條→拉拔+退火→冷鐓成型→淬回火→車加工。球銷橫向斷裂的位置發生在球銷中段的中間部位,樣品的形貌如圖1所示。為了明確球銷的斷裂失效原因,針對性地進行質量改善和工序優化,本文對其開展了一系列檢驗并提出了相應的改進措施。

圖1 斷裂的球銷零件Fig.1 Macrograph of the cracked ball pin

2 試驗方法

采用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AES)測定樣品的化學成分,采用體式顯微鏡對斷裂樣品進行宏觀分析,采用掃描電子顯微鏡對斷裂樣品進行斷口掃描分析。取斷口附近基體部位,制備成金相樣品,使用180#～1 200#砂紙由粗到細依次打磨,2.5 pm的金剛石研磨膏進行拋光,后選用4%(體積分數)硝酸酒精溶液進行腐蝕,采用金相顯微鏡對斷裂樣品進行非金屬夾雜物檢測和金相組織分析。

3 試驗結果與分析

3.1 化學成分分析

失效的球銷樣品切割加工后進行化學成分測試,結果顯示失效球銷的化學成分各元素的含量均符合35CrMo鋼材標準成分要求,見表1。

3.2 非金屬夾雜物及帶狀組織分析

將失效樣件避開斷口沿基體縱向切割制備金相樣品,按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》標準對鋼中非金屬夾雜物進行評級;同時取用未熱處理的零件制備金相樣品,按照GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評定 第一部分:標準評級圖法》進行帶狀組織評級。評級結果見表2、圖2。各類非金屬夾雜物級別和帶狀組織級別均無異常,符合汽車用鋼類材質質量要求。

表1 失效球銷用鋼化學成分Table 1 Chemical composition of the failed ball pin 單位:%

表2 球銷用鋼非金屬夾雜物和帶狀組織評級Table 2 Non-metallic inclusion result of the ball pin steel 單位:級

圖2 球銷用鋼帶狀組織Fig.2 The banded microstructure of the ball pin steel

3.3 斷口宏觀分析

失效件進行丙酮清洗后,兩段零件的銹蝕狀態差別大:球頭端基本無腐蝕,保持光亮;螺紋端保存不當,銹蝕較嚴重。斷裂位置為中段的中間位置,其中中段有一定錐度,斷裂點并不在應力最大的中段錐度最細處。

觀察失效件斷口,如圖3所示,A、B兩處均為疑似疲勞起裂源。推斷零件受往復彎折力,兩側均有應力最大處。從宏觀斷口看,疲勞試驗時存在兩個起裂源,分布在180°的相對側。起裂位置均為零件表面,整體觀察屬于疲勞斷裂,但起裂源附近的零件表面都存在不同程度的銹蝕、變形或磨損。

圖3 失效件斷口宏觀形貌Fig.3 Macro condition of the failure parts fracture

采用掃描電鏡進一步觀察斷口形貌,具體見圖4。從圖4(b)、(e)可以看出,兩個起裂源表面均存在明顯的車削痕,圖4(e)中發現車削痕在零件外表面會形成局部凹坑,在服役過程中形成應力集中點。因此,零件不良的表面狀態成為疲勞過程中的起裂源,最終導致斷裂失效。

3.4 金相組織分析

截取斷口附近基體部位制備成金相組織試樣,腐蝕處理后使用金相顯微鏡,按照GB/T 13320—2007《鋼制模鍛件金相組織評級圖及評定方法》進行金相組織觀察及評級。如圖5所示,材料的組織主要為回火索氏體,但存在較多條狀鐵素體,評級為3～4級。根據客戶設計要求,材料在熱處理后金相組織不允許存在明顯條狀或針狀鐵素體,即金相組織級別≤2.0級。因此,零件的熱處理組織不滿足設計要求。

圖4 失效件斷口掃描電鏡觀察形貌Fig.4 SEM observation morphology of the failed ball pin

圖5 失效樣件金相組織觀察Fig.5 Metallographic structure observation of the failed ball pin

理想狀態的淬回火調質處理組織應為均勻的回火索氏體,但是考慮到材料原始組織狀態、淬回火工序能力,通常也允許存在少量的粒狀鐵素體。在本失效零件的調質組織中,鐵素體的數量和分布形態表現異常,存在較多聚集形態的條狀和針狀鐵素體。該類鐵素體組織相對于回火索氏體組織強度更低,在承受載荷過程中大量變形易于聚集在鐵素體相中,在晶界處造成大量滑移位錯塞積,導致局部應力增大[6]。此外,沿晶界分布的條狀鐵素體組織則會使晶界處強度弱化,與回火索氏體相互交錯,割裂了組織結構的完整性,使材料的脆性增加、韌性降低,從而使材料在疲勞試驗或服役過程中更容易失效斷裂[7-9]。

3.5 討論

結合上述分析,認為本次35CrMo球銷斷裂失效原因主要是:①零件表面車加工比較粗糙,表面車削溝痕的局部凹坑形成應力集中點;②零件調質組織不理想,存在較多的條狀鐵素體,導致零件整體性能不佳,疲勞耐久性能降低。因此,在整體組織狀態不理想的情況下,零件外表面存在的局部車削溝痕進一步加劇了應力集中,導致零件在疲勞測試中斷裂失效。

4 組織改善試驗

調質后金相組織不合格,主要是由于淬火過程中部分鐵素體未完全轉變為奧氏體,已轉變為奧氏體的組織在冷卻過程中轉化為索氏體,而未轉變的鐵素體則繼續保留,形成未溶條狀鐵素體。因此,結合用戶現場裝備及工序實際,重新設計淬火工藝,摸索最佳工藝參數,改善組織級別。如表3所示,分別設計了6種熱處理試驗方案,同時對樣品熱處理后的淬火態及調質態分別進行觀察,分析其組織隨淬火溫度、淬火時間的變化關系,淬火態及調質態金相組織情況如表4所示。

表3 熱處理試驗方案Table 3 Heat treatment test scheme

對比發現:在840 ℃和860 ℃進行淬火時,調質態金相結果中均發現了條狀鐵素體;在880 ℃淬火后,鐵素體明顯減少;而當淬火溫度上升至900 ℃時,又開始出現部分鐵素體。此外,對4種不同淬火溫度下的淬火態金相分析均未發現未溶解的鐵素體,只在840 ℃和860 ℃時的淬火組織中發現有少量貝氏體。

對比不同淬火保溫時間對組織的影響發現:在保溫時間最短的B4樣品中,調質后有條狀鐵素體存在,同時淬火態試樣也有貝氏體存在;而在保溫時間較長的B3及B5樣品中,調質后并未發現條狀鐵素體。可見,適當延長保溫時間,可以細化組織。

結合上述對比試驗及用戶現場裝備工藝條件,對淬火工藝進行優化。生產現場適當提高淬火溫度,同時延長保溫時間,即采用880 ℃淬火(保溫140 min后油冷)+620 ℃回火(保溫110 min后水冷),零件的熱處理組織大大改善,未再出現≥2.0級的不良組織。

5 結語

35CrMo鋼制球銷的失效斷裂,主要是由于熱處理后組織存在較多的條狀鐵素體,導致調質后的回火組織不均勻,影響零件的整體強韌性能。此外,零件外表面存在的車削痕較粗糙,在球銷周向往復受力過程中形成應力集中點,直接加劇了球銷零件的失效,從而產生疲勞斷裂。

表4 不同淬火工藝金相組織Table 4 Metallographic structure under different quenching process

根據失效原因提出了改進措施:①在冷鍛零件淬火+回火調質時,適當升高淬火溫度,并延長保溫時間,使基體內鐵素體充分轉變為奧氏體,為均勻理想的回火組織提供保障。②采用精車和磨光等手段改善球銷外表面加工質量,消除零件外表面車削痕,降低表面粗糙度。上述兩項措施實施后,后續批次試驗用戶未再反饋球銷斷裂失效現象。