某工程機械液壓缸活塞桿斷裂原因

翁圣群, 霍仕偉, 宋 振

(撫順中油檢測工程有限公司, 撫順 113000)

活塞桿是支持活塞進行往復運動的連接部件，應用在油缸、氣缸運動執(zhí)行部件中，是一個運動頻繁且技術(shù)要求高的運動部件。以液壓缸為例，其由缸筒、活塞桿(油缸桿)、活塞、端蓋幾部分組成，活塞桿質(zhì)量的好壞直接影響整個產(chǎn)品的壽命和可靠性。因此，在工程機械中對活塞桿的質(zhì)量和加工技術(shù)要求較高。某工程機械液壓缸活塞桿的制造工藝流程為：外鍛→退火→粗車→調(diào)質(zhì)(240～280 HB)→精加工→時效→磨削→氮化→磨削→成品，活塞桿的材料為38CrMoAl鋼，該工程機械在使用過程中液壓缸活塞桿發(fā)生斷裂失效。經(jīng)調(diào)查，同批次的活塞桿產(chǎn)品中，在疲勞壽命之前發(fā)生斷裂失效的產(chǎn)品僅此1件，在產(chǎn)品設(shè)計過程中經(jīng)過疲勞-損傷-斷裂機理的計算，其尺寸和強度設(shè)計以及材料的選用均滿足產(chǎn)品使用要求，在使用過程中也排除了過載運行的情況。發(fā)生斷裂時，該工程機械累計使用僅200 h。在動載荷循環(huán)作用下，活塞桿斷裂的原因大致有4種可能：斷裂部位的材料中有雜質(zhì)；加工中螺紋根部殘留刀尖的小刀痕；熱處理中出現(xiàn)的微裂紋；螺紋根部應力集中部位在不對稱循環(huán)載荷下因疲勞損傷逐漸形成的小裂紋[1]。

為查明該工程機械液壓缸活塞桿發(fā)生早期斷裂失效的具體原因，筆者對其進行了一系列檢驗及分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

該斷裂活塞桿的螺紋外徑為68 mm，螺紋內(nèi)徑為63.5 mm。由圖1 a)可見，活塞桿表面光滑，斷裂于軸頸處圓螺紋的第1扣位置。目視螺紋存在尺寸大小不一的情況，這是由加工精度不準確造成的。斷口表面整體較平整，未見明顯塑性變形[2]，斷口與活塞桿軸線垂直。圖1 b)為斷口宏觀形貌，由于斷口銹蝕嚴重，清洗后再對斷口宏觀形貌進行觀察，可判斷該活塞桿的斷裂形式為疲勞斷裂，疲勞源位于圓周的次表面，氧化色較深。疲勞擴展區(qū)與主應力相垂直，擴展區(qū)占據(jù)了斷口表面大部分區(qū)域，該區(qū)域呈暗灰色，表面細膩平滑。瞬斷區(qū)有剪切唇，表面較粗糙，其所在區(qū)域面積約為斷口面積的1/10。 此外，斷口及附近區(qū)域未見機械損傷及腐蝕等缺陷。

圖1 斷裂活塞桿的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured piston rod: a) whole; b) fracture

1.2 低倍檢查

在斷口附近取樣進行熱酸蝕檢查，依據(jù)GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》，用50%(體積分數(shù))鹽酸水溶液70 ℃熱浸蝕15 min，其低倍形貌如圖2所示，未發(fā)現(xiàn)白點、疏松以及偏析等缺陷。

圖2 斷裂活塞桿斷口低倍形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the fractured piston rod

1.3 化學成分分析

采用BELEC Compact-Port型移動式直讀光譜儀對斷裂活塞桿進行化學成分分析，結(jié)果見表1。可見斷裂活塞桿的化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對38CrMoAl鋼的成分要求。

表1 斷裂活塞桿的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured piston rod (mass fraction) %

1.4 金相檢驗

圖3 斷裂活塞桿的夾雜物形貌Fig.3 Morphology of inclusions in the fractured piston rod: a) massive inclusions; b) chain inclusions; c) strip sulfide

在斷裂活塞桿疲勞源處取縱向試樣，經(jīng)磨制、拋光后，使用GX51型倒置金相顯微鏡進行觀察，其夾雜物形貌如圖3所示。由圖3可知，斷裂活塞桿中非金屬夾雜物含量較多，有不變形大塊狀的夾雜物，有鏈狀夾雜物，有條狀硫化物，按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》進行評級，結(jié)果為A類2.5級,B類3.0級,C類1.0級,D類3級。大塊狀夾雜物超出了GB/T 10561—2015中粗系的尺寸，破壞了基體的連續(xù)性，在交變外力的作用下易形成顯微裂紋[3]。采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕試樣，浸蝕后試樣的顯微組織形貌如圖4所示。

圖4 斷裂活塞桿縱向試樣顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of longitudinal sample of the fractured piston rod

在斷裂活塞桿疲勞源處取橫向試樣，經(jīng)磨制、拋光后，采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕試樣，使用GX51型倒置金相顯微鏡進行觀察。由圖5可見，斷裂活塞桿的基體顯微組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體[4-5]，說明斷裂活塞桿的熱處理工藝合格，其顯微組織符合技術(shù)要求。

圖5 斷裂活塞桿橫向試樣顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of transverse sample of the fractured piston rod

1.5 力學性能試驗

采用宏觀布氏硬度計對斷裂活塞桿進行硬度測試，采用液壓萬能試驗機對斷裂活塞桿的拉伸試樣進行拉伸試驗，采用JBDW-3000型低溫沖擊試驗機對斷裂活塞桿的沖擊試樣進行沖擊試驗，結(jié)果見表2。可見斷裂活塞桿的硬度、抗拉強度符合GB/T3077—2015的技術(shù)要求，由于夾雜物含量超標，該斷裂活塞桿的沖擊吸收能量略低于GB/T 3077—2015的技術(shù)要求[6]。

表2 斷裂活塞桿的力學性能試驗結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of the fractured piston rod

2 分析與討論

由以上理化檢驗結(jié)果可知，斷裂活塞桿的化學成分、硬度和抗拉強度符合技術(shù)要求，但其基體中夾雜物含量超標，導致沖擊吸收能量略有下降。該斷裂活塞桿的顯微組織中沒有過熱現(xiàn)象，因此可以排除鍛造以及熱處理不當造成的活塞桿斷裂。

由金相檢驗結(jié)果可知，液壓缸活塞桿原材料中夾雜物的含量超標。大塊狀夾雜物的存在，往往成為疲勞裂紋的發(fā)源地，因為非金屬夾雜物是以機械混合物的形式分布在鋼中，破壞了基體的連續(xù)性和均勻性，同時在夾雜物處易產(chǎn)生應力集中而成為疲勞源。

活塞桿在使用時受拉-拉(拉-壓)壓力的交變載荷[7]，桿外表面的應力高于中心的，并且應力分布不均勻，疲勞源萌生的位置變化較大，其可以在桿的外表面萌生，也可以在桿的內(nèi)部萌生。由于活塞桿材料本身質(zhì)量較差，存在較多的非金屬夾雜物，并有超過標準尺寸的大塊狀夾雜物，因此會降低鋼的疲勞性能，還會降低鋼的韌性和塑性。

在外力作用下，原材料通常沿著夾雜物及其周圍金屬基體的界面開裂，形成疲勞裂紋；當夾雜物聚集分布，且尺寸較大、數(shù)量較多時，會進一步加速疲勞裂紋的擴展。斷裂活塞桿的裂紋源附近存在著較多的大尺寸夾雜物，嚴重降低了活塞桿的疲勞性能，加速了疲勞裂紋的擴展，是活塞桿發(fā)生早期斷裂的一個主要原因。另外，在裂紋形成階段，螺紋根部圓角半徑的大小對活塞桿的疲勞壽命影響很大，圓角半徑增大，其疲勞壽命可大幅提高，圓角半徑減小，疲勞壽命縮短[1]。所以，活塞桿螺紋的加工精度可以影響活塞桿的疲勞壽命。

3 結(jié)論及建議

大尺寸夾雜物的存在，使得活塞桿原材料基體不連續(xù)，在動態(tài)拉-壓循環(huán)載荷的作用下，于夾雜物處產(chǎn)生微裂紋，加之螺紋加工精度不高，裂紋在使用過程中擴展，最終導致活塞桿疲勞斷裂。

建議在對活塞桿原材料進行復驗時，要注意檢驗原材料的純凈度；在活塞桿的制造過程中應注意加工尺寸的精度，避免由應力集中導致使用壽命降低的問題發(fā)生。