活塞桿熱處理后開裂原因分析

嚴綱+李劍+胡陳春

摘 要：在進行45鋼活塞桿生產的過程中，活塞桿在經過表面感應加熱淬火后，其再進行磨削加工則會有裂紋在其表面出現。對其成分和組織進行分析發現，活塞桿使用的原材滿足45鋼化學成分，但其并未經過必要的調質和鍛造，原始組織中的粗大網狀鐵素體大量保留，無法滿足后續的心部組織要求。此外，在加熱淬火時若操作不當，硬化層中會存在軟帶，使表面硬度和硬化深度能夠遠超于技術要求?；钊麠U在處理表面時若磨削不當且誘發拉應力，其中的鐵素體則會被撕裂，并在表面形成裂紋。

關鍵詞：活塞桿；熱處理；表面開裂；原因分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.006

1 背景描述

某汽車零部件廠生產的活塞桿，用于減震器上，材質為45鋼，該活塞桿熱處理工藝為高頻淬火+回火。表面鍍鉻后，烘烤去氫后未使用，著色檢驗即發現網狀開裂。熱處理工藝要求淬硬層深度0.7～1.1mm，硬度40～50HRC。

2 照片及宏觀分析

送檢樣品宏觀形貌如圖1所示，表面為客戶著色探傷后留下的痕跡。從圖中可以看出送檢樣品表面存在網狀分布的裂紋。

3 試驗分析

3.1 試驗內容及取樣方案

對送檢活塞桿取樣進行成分分析、金相分析、硬度分析、裂紋分析，各樣品取樣位置如圖2所示。位置1為成分分析取樣位置，位置2為基體夾雜物及心部組織分析取樣位置，位置3和位置4為活塞桿表面組織及裂紋分析取樣位置。

3.2 成分分析

對送檢樣品取樣進行成分分析，分析儀器為紅外碳硫分析儀、電感耦合等離子體發射光譜。試驗標準為《GB/T 20123-2006鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外線吸收法》和《CSM 07 03 94 01-2003合金鋼-錳、磷、鉻、鎳、鉬、銅、釩、鈷、鈦、鋁含量的測定-電感耦合等離子體發射光譜法》。 試驗結果如表1所示，送檢樣品各元素成分滿足《GB/T 699 優質碳素結構鋼》中45鋼的要求。

3.3 金相及裂紋分析

（1）基體夾雜物及基體組織。夾雜物分析參照GBT10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》。結果夾雜物等級為A0.5。這表明送檢活塞桿夾雜物較少，材質較為純凈。

由于高頻淬火的影響范圍僅是表面1.5mm以內，送檢活塞桿的基體（心部）組織即表面高頻淬火前組織，送檢活塞桿基體（心部）組織分析參照《GB/T 13299-1991金屬顯微組織檢驗方法》，腐蝕劑為硝酸酒精。橫、縱截面組織均為鐵素體+珠光體，此為45鋼正常正火態組織，鐵素體在縱截面分布呈方向性，此為鍛造變形的結果，基體組織中未發現過熱、魏氏組織、微裂紋等缺陷。

（2）表面組織及裂紋分析。樣品3和樣品4經鑲嵌、腐蝕后宏觀照片如圖3所示。樣品3表面發現5條裂紋，樣品4表面發現4條裂紋。本文在樣品3和樣品4各取3條裂紋進行分析，樣品3的裂紋如圖3～8所示，樣品4的裂紋形態與樣品2基本一致，因此未附圖。

樣品3和樣品4表面淬硬層組織為回火馬氏體+少量鐵素體，根據JB/T9204-2008《鋼件感應淬火金相檢驗》，級別為6級（微細馬氏體），淬硬層深度為900～1000mm，滿足熱處理工藝淬硬層深度0.7～1.1mm的要求。同時JB/T9204標準指出，對于表面淬硬層硬度下限低于55HRC時，3～9級為合格。因此送檢活塞桿表面高頻淬火后組織合格。從樣品3和樣品4還可看出，樣品表面存在較多裂紋，裂紋深度為整個淬硬層，大部分裂紋已貫穿鍍鉻層，擴展至表面。主裂紋由于寬度較大，不宜判斷裂紋性質。從圖4和圖6主裂紋旁的微裂紋來看，裂紋起源于淬硬層，裂紋沿晶（原奧氏體晶界）擴展，裂紋內無氧化，裂紋兩側無明顯脫碳，裂紋尖端較細。這表明裂紋為淬火裂紋。

3.4 硬度分析

硬度分析在樣品3的淬硬層上進行，試驗標準為GB/T 4340.1《金屬維氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》（儀器型號HVS-50Z），結果如表2所示。硬度均值為518HV，換算成洛氏硬度為49.3HRC，符合產品硬度40～50HRC的要求，但是達到要求的上限。

4 綜合分析

通過對送檢活塞桿的成分分析、金相分析、裂紋分析、硬度分析等，得出如下結果：

（1）成分滿足《GB/T699-1999優質碳素結構鋼》對45號鋼的成分要求。

（2）送檢活塞桿夾雜物等級為A0.5。這表明送檢活塞桿夾雜物較少，材質較為純凈。

（3）送檢活塞桿心部組織（即高頻淬火前組織）為鐵素體+珠光體，此為45鋼正常正火態組織，基體組織中未發現過熱、魏氏組織、微裂紋等缺陷。高頻淬火前組織正常。

（4）送檢活塞桿高頻淬火后淬硬層深度900～1000μm，滿足產品0.7～1.1mm的要求。

（5）送檢活塞桿表面存在大量裂紋，裂紋起源于淬硬層內部，深度為淬硬層的深度。裂紋起源于淬硬層，裂紋沿原奧氏體晶界擴展，裂紋內無氧化，裂紋兩側無明顯脫碳，裂紋尖端較細。裂紋為典型淬火裂紋。

（6）送檢活塞桿淬硬層硬度為518HV，換算成洛氏硬度為49.3HRC，符合產品硬度40～50HRC的要求，但已達到上限。

上述試驗分析表明，送檢活塞桿的裂紋為淬火裂紋，淬火裂紋產生在淬火過程中，與后期鍍鉻并無關系。當淬火產生的巨大應力大于材料本身的強度并超過塑性變形極限時，便會導致裂紋產生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉變開始進行后不久產生，因此，淬火裂紋產生于淬火的冷卻過程，一般為200多度（即Ms點以下），與該溫度區間的冷卻速度過快有關。

5 結論與建議

（1）送檢活塞桿的裂紋為淬火裂紋，產生在淬火過程中，與后期鍍鉻并無關系。

（2）建議適當調整高頻淬火的冷卻速度，在保證得到馬氏體的基礎上，降低冷卻速度，減小淬火應力，防止淬火裂紋的發生。

6 結語

本文對某汽車零部件廠生產的45鋼活塞桿熱處理后的開裂情況進行分析，發現活塞桿的裂紋實際為淬火裂紋，并不是在后期鍍鉻中產生的。因此應當將淬火冷卻速度適當降低，降低淬火應力，避免出現裂紋。

參考文獻：

[1]戴樂陽，林少芬，楊勝州等.45鋼制活塞桿開裂原因分析[J].金屬熱處理，2011，36（02）：119-121.

[2]蘇增強，李永亮，李玉明.20Cr2Ni4鋼活塞桿環狀裂紋成因分析[J].理化檢驗-物理分冊，2016，52（06）：422-426.

[3]朱麗紅.往復壓縮機活塞桿開裂失效分析[J].壓縮機技術，2016（01）：59-61.

[4]陳建國，杜培德.2DZ5.5-1.8/285-320型氮氫氣循環壓縮機活塞桿斷裂事故原因分析[J].流體機械，2002，30（03）：30-32.

[5]曹開磊，曾正宏，陸存松.某型飛機起落架活塞桿磨削裂紋原因分析[C].全國航空航天裝備失效分析研討會，2006.

[6]曲德毅，高志強.往復壓縮機2C13活塞桿失效分析[J].熱處理技術與裝備，2015，36（01）：54-57.endprint