缸底件鍛后調質處理開裂失效分析

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，材質為45#普通碳素鋼，經熱加工鍛造及調質處理，發現缸底內側縱向開裂。對該失效件進行理化檢測分析，結果表明試樣組織中，由于非金屬夾雜物引起的帶狀組織嚴重，縱向抗破斷強度明顯小于橫向鍛造應力及調質處理過程中的淬火應力，遠大于組織的晶間結合力，造成淬火開裂。

關鍵詞：帶狀組織 過熱組織 晶間開裂

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

1 狀態說明

（1）凱旭公司液壓傳動用缸底件，缸底的體積較大，重量達890 kg，設計要求應有較高的強度和較好的韌性。因此選用中碳鋼進行調質處理，保證工件正常運行和使用壽命。

（2）材質為45#鋼的缸底件，材料熱加工工藝為鍛造后調質處理。據調查鍛造加熱采用煤油噴管式燃燒加熱，加熱溫度較難控制。調質處理后，缸底件的內孔部位出現數條縱向開裂裂紋，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 化學分析

（1）在生產加工記錄表中，追溯到該批產品的質保書，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，以供化學成分檢測。

（2）截取尺寸為長25×寬25×厚15mm的原材料樣塊，進行化學成分檢測。檢測設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢查結果表明化學成分符合材料標準要求。

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，有些裂紋部位已經完全剝落分開。經晶粒度標準測量，這種粗大的穩定化過熱組織，加熱溫度已經超過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，在晶界上形成強度很低的脆性層，這就是穩定化過熱組織的遺傳性。后序的調質處理，只能將鍛造過熱的粗大連續網改變為斷續網。

（3）在裂紋擴展的大部分區域，呈現筆直的帶狀裂紋，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，正常正火及調質處理溫度是無法消除的，只有采用加熱溫度在1100 ℃以上的擴散退火才能改善。

（4）帶狀組織的白亮區內，存在較嚴重的非金屬夾雜物，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，調質處理淬火無法使工件心部發生馬氏體相變，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 結論分析

（1）鋼加熱到穩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生偏析，或產生大量微細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一步增加，在隨后冷卻過程中，硫化物雜質在奧氏體晶界上析出更為嚴重，以致產生硫化鐵、硫化錳及其共晶體沉淀，晶界顯著弱化及脆化。

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

（3）試樣原始帶狀組織嚴重，且帶狀組織內存在大量的硫化物夾雜。在遠遠超過硫化物共晶體熔點的1200 ℃以上溫度鍛造加工，帶狀組織內的硫化物共晶體必然熔化，鍛造時沿含有液態硫化物的帶狀組織撕開。后序的調質熱處理的淬火應力，使原始的鍛造裂紋進一步擴展，最終呈現木紋狀開裂的形貌特征。

5 改進措施

（1）對于原材料帶狀組織嚴重的偏析組織，以及鍛造加工造成的穩定化過熱組織，工件在調質處理之前必須預先熱處理。預先熱處理采用高溫擴散退火加完全退火的加工工藝。完全退火的目的，是細化高溫擴散退火產生的粗大晶粒，提高鍛件抗拉強度和沖擊韌度，為后期熱處理的質量提供保障。

（2）調質熱處理時，在加熱過程中應緩慢升溫，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應首先預冷，淬火介質采用等溫淬火油，淬火后必須帶溫出油，利用出油余熱產生自回火，最大限度地降低淬火應力。在高溫回火時也必須緩慢加熱，同樣必須防止熱應力過大而開裂。

參考文獻

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