金林奎, 吳正環(huán), 程 曦, 黎肖輝, 方曼婷

(1. 廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心, 廣東 東莞 523808;2. 國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 廣東 東莞 523808)

38CrMoAl鋼是專用滲氮鋼,一般用于經(jīng)滲氮處理的表面高耐磨零件,具有很高的滲氮效果和力學(xué)性能指標、良好的耐熱性和耐蝕性。該鋼的預(yù)處理為調(diào)質(zhì)處理,滲氮處理后能得到較高的表面硬度及耐磨性、優(yōu)良的疲勞強度及抗過熱性,通常滲氮后表面硬度在920 HV以上。由于滲氮速度較快,可以得到較深的滲氮層深度,但滲氮層的脆性相對較大,因而不適合制作承受很大沖擊的零件。該鋼多用于制造高疲勞強度、高耐磨性、尺寸精度高、強度較高的各種尺寸不大的滲氮零件,如氣缸套、活塞螺栓、精密絲杠、高壓閥門以及塑料擠壓機耐磨零件等[1]。

某液氣彈簧活塞桿在流轉(zhuǎn)運輸過程中發(fā)生斷裂,本文對斷裂失效件的化學(xué)成分、表面硬度、斷口形貌及顯微組織進行理化檢測,分析和推斷活塞桿產(chǎn)生斷裂的原因及形成機理,并提出改進建議和措施。

1 宏觀檢查

受客戶委托對液氣彈簧活塞桿斷裂失效件進行檢測,活塞桿采用38CrMoAl鋼加工制造,結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,工藝流程為原材料—鉆床加工—調(diào)質(zhì)處理—數(shù)控機加工—滲氮處理—拋光處理,用于重載卡車及動車的機械傳動。該活塞桿成品件采用紙箱包裝,在流轉(zhuǎn)運輸過程中不慎跌落造成斷裂,斷裂位于桿部與法蘭連接的退刀槽部位。斷口均沿退刀槽凹槽部位開裂(見圖1(b)),可以肯定斷裂過程受到凹槽部位倒圓角應(yīng)力集中影響[2]。在活塞桿的桿部末端邊緣存在數(shù)條長度10～15 mm同心圓分布的表面裂紋,推測該部位受到外力作用的高速撞擊[3](見圖1(c))。斷口宏觀檢測發(fā)現(xiàn),快速斷裂的放射狀條紋橫貫整個斷口,該失效件斷裂速度極快[4](見圖1(d, e))。由此推斷,紙箱包裝的活塞桿在跌落過程中,活塞桿的桿部末端受到高速撞擊,造成法蘭端承受極大的彎曲應(yīng)力,最終在應(yīng)力集中最大的退刀槽凹槽部位發(fā)生斷裂。

圖1 活塞桿失效件的宏觀形貌

2 試驗分析與討論

2.1 化學(xué)成分分析

從該活塞桿失效件截取樣品,采用火花放電直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。分析結(jié)果表明,化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表1 活塞桿失效件的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

2.2 表面硬度檢測

從該活塞桿失效件截取樣品,采用洛氏硬度計進行表面硬度測試,結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明,失效件樣品表面硬度偏高。

表2 活塞桿失效件的表面硬度(HRC)

2.3 斷口掃描電鏡檢測

采用SIGMA 300掃描電鏡對法蘭斷口樣品進行檢測,結(jié)果如圖2所示?？梢娧赝说恫郯疾鄄课恍纬扇舾蓷l多源臺階條紋,該多源臺階條紋屬于斷裂源區(qū),由凹槽部位產(chǎn)生開裂并快速擴展至斷裂(見圖2(a, e)。法蘭側(cè)上下斷口擴展初中后期的整個斷面均以解理斷口為主。這是快速斷裂的特征斷口,推測樣品斷裂速度極快[5]。其中圖2(a)上中下圓圈分別對應(yīng)圖2(b～d);圖2(e)上中下圓圈分別對應(yīng)圖2(f～h)。

圖2 活塞桿失效件法蘭斷口樣品的斷裂形貌特征

采用掃描電鏡配備的能譜儀沿斷裂擴展方向?qū)Ψㄌm側(cè)上下斷口進行能譜測試,結(jié)果如圖3和表3所示,其中測試點1、2、5、6位于退刀槽側(cè)面表層,測試點7位于靠近退刀槽側(cè)面斷口,測試點3、4、8位于遠離退刀槽側(cè)面斷口。能譜測試結(jié)果表明,退刀槽側(cè)面表層氮含量達14%～15%,表明樣品經(jīng)過滲氮處理;靠近退刀槽側(cè)面斷口氮含量為2.2%,表明樣品存在較深的表面滲氮層[6]。

表3 圖3中不同位置的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù),%)

圖3 活塞桿失效件法蘭斷口樣品沿斷裂擴展方向的能譜分析

2.4 光學(xué)顯微鏡檢驗

對活塞桿失效件法蘭斷口樣品上下斷口部位的剖面進行顯微組織檢測,結(jié)果如圖4所示,其中箭頭方向為斷裂擴展方向?？梢姌悠贩ㄌm端有兩處凹槽(見圖4(a, e)),由靠近桿部的退刀槽凹槽產(chǎn)生開裂并擴展至斷裂,其斷裂處的凹槽已經(jīng)難以辨別,但與之相鄰的法蘭側(cè)凹槽清晰可見,如圖4(b, c, f, g)所示。實測法蘭側(cè)凹槽倒圓角半徑R分別為0.46和0.49 mm(見圖4(d, h)),其中半徑0.46 mm凹槽底部存在表面裂紋,表面裂紋兩側(cè)滲氮層深度明顯加深,表明該表面裂紋形成于滲氮處理之前,屬于調(diào)質(zhì)處理過程產(chǎn)生的淬火應(yīng)力集中開裂[7]。由此推斷,退刀槽凹槽同樣存在應(yīng)力集中開裂傾向。斷裂源區(qū)的退刀槽凹槽表層存在表面裂紋及表面剝落,表明滲氮層脆性大。

圖4 活塞桿失效件法蘭斷口樣品的OM照片

活塞桿失效件桿部外圓表層的表面脫碳現(xiàn)象如圖5所示,實測脫碳層深度超過0.30 mm。滲氮處理過程中氮原子富集于脫碳層組織,形成脆性針狀氮化物。規(guī)范要求滲氮處理樣品不允許存在塊狀鐵素體,并杜絕存在表面脫碳層[8]。但由于鐵素體組織的存在,造成表層脆性顯著增大,并由此產(chǎn)生表面裂紋及表面剝落。

圖5 活塞桿失效件桿部外圓表面的OM照片

活塞桿失效件法蘭斷口樣品基體的顯微組織如圖6 所示?？梢娀w中存在晶粒大小不一的混晶組織。基體組織以大晶粒為主,同時沿粗大晶界分布小晶粒。依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》評定,大晶粒評為3.5級,小晶粒評為7.5級(見圖6(a, b))?；w顯微組織為粗大馬氏體位向的回火索氏體,參考JB/T 9211—2008《中碳鋼與中碳合金結(jié)構(gòu)鋼馬氏體等級》評定,馬氏體位向等級評為8級,屬于粗大過熱組織,樣品在調(diào)質(zhì)處理過程的加熱溫度高,晶粒急劇長大,該粗大過熱組織降低了材料強韌性[9](見圖6(c, d))。

圖6 活塞桿失效件法蘭斷口樣品基體的晶粒(a,b)和馬氏體(c,d)形貌

2.5 掃描電鏡檢測

采用SIGMA 300掃描電鏡對法蘭斷口樣品的剖面進行檢測,斷裂源區(qū)的退刀槽凹槽部位存在表面剝層,表明斷裂部位脆性大[10]。斷裂源區(qū)附近的退刀槽表層存在大量脆性針狀氮化物,并產(chǎn)生大量表面裂紋及表面剝落,表明滲氮層脆性大(見圖7)。樣品表層及心部的顯微組織為粗大馬氏體位向的回火索氏體,材料強韌性比正常晶粒組織顯著降低[11](見圖8)。

圖7 活塞桿失效件法蘭斷口樣品的剖面形貌特征

圖8 活塞桿失效件法蘭斷口樣品基體的SEM照片

采用掃描電鏡附帶的能譜儀沿斷口剖面表層區(qū)域?qū)Ψㄌm斷口接口進行能譜測試,結(jié)果如圖9和表4所示,其中測試點9、12位于退刀槽側(cè)面表層,測試點10、13位于退刀槽側(cè)面次表層,測試點11、14位于基體。能譜測試結(jié)果表明,退刀槽側(cè)面表層的氮含量達11%～13%,表明樣品經(jīng)過表面滲氮處理;退刀槽側(cè)面次表層的氮含量為3%～4%,表明滲氮處理樣品存在較深的表面滲氮層[12]。

表4 圖9中不同位置的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù),%)

綜上所述,活塞桿在流轉(zhuǎn)運輸過程中發(fā)生斷裂,斷裂位于桿部與法蘭連接的退刀槽凹槽部位。在活塞桿的桿部末端外圓存在數(shù)條表面裂紋,表面裂紋呈圓弧狀分布擴展,推測該處受到外力作用的高速撞擊。斷口呈快速斷裂的放射狀條紋特征形貌,表明該失效件斷裂速度快。掃描電鏡檢測到退刀槽凹槽部位存在多源臺階條紋,表明裂紋源在凹槽部位產(chǎn)生并快速擴展至斷裂。整個斷面以解理斷口為主,這是快速斷裂的形貌特征,由此表明樣品斷裂速度極快?；钊麠U的桿部末端受到高速撞擊,造成法蘭端承受極大的彎曲應(yīng)力,最終在應(yīng)力集中最大的退刀槽凹槽部位發(fā)生斷裂。

法蘭斷口剖面顯微組織檢測發(fā)現(xiàn)法蘭端存在兩處凹槽,在靠近桿部的退刀槽凹槽產(chǎn)生斷裂。實測法蘭側(cè)凹槽倒圓角R極小并存在表面裂紋,表面裂紋兩側(cè)滲氮層明顯加深,該表面裂紋形成于滲氮處理之前,屬于調(diào)質(zhì)處理過程形成的淬火應(yīng)力集中開裂,由此推斷退刀槽凹槽同樣存在應(yīng)力集中開裂傾向。斷裂源區(qū)存在表面裂紋及表面剝落,滲氮層脆性大。桿部外圓存在表面脫碳層,氮原子富集于脫碳層組織,產(chǎn)生脆性針狀氮化物。滲氮處理之前不允許存在塊狀鐵素體,并杜絕存在表面脫碳層。由于鐵素體組織存在,造成滲氮層脆性顯著增大,并由此產(chǎn)生表面裂紋及表面剝落。

掃描電鏡檢測發(fā)現(xiàn),斷裂源區(qū)存在表面剝層缺陷組織,表明退刀槽凹槽部位脆性極大。退刀槽表層存在大量脆性針狀氮化物,并由此產(chǎn)生表面裂紋及表面剝落,表明表面滲氮層脆性大。顯微組織為粗大馬氏體位向的回火索氏體,基體為粗大過熱組織,材料強韌性顯著降低。

3 結(jié)論及改進建議

1) 該活塞桿運輸過程中發(fā)生斷裂,主要原因是活塞桿受到高速撞擊,彎曲應(yīng)力造成退刀槽凹槽部位發(fā)生斷裂;凹槽部位倒圓角半徑R極小,極易形成應(yīng)力集中開裂;滲氮處理過程不規(guī)范,表層產(chǎn)生脆性剝層,增加凹槽部位開裂傾向;基體存在粗大過熱組織,進一步加大斷口開裂進程;活塞桿外圓殘留表面脫碳層,表層富集針狀氮化物,造成表面裂紋及表面剝落。

2) 在調(diào)質(zhì)處理過程中,應(yīng)規(guī)范執(zhí)行熱處理工藝,防止產(chǎn)生粗大過熱組織;機加工過程控制凹槽部位倒圓角半徑R,并去除調(diào)質(zhì)處理過程產(chǎn)生的表面脫碳層;嚴格執(zhí)行滲氮處理工藝,降低表面滲氮層脆性傾向。