金林奎, 吴正环, 程 曦, 黎肖辉, 方曼婷

(1. 广东省东莞市质量监督检测中心, 广东 东莞 523808;2. 国家模具产品质量监督检验中心, 广东 东莞 523808)

38CrMoAl钢是专用渗氮钢,一般用于经渗氮处理的表面高耐磨零件,具有很高的渗氮效果和力学性能指标、良好的耐热性和耐蚀性。该钢的预处理为调质处理,渗氮处理后能得到较高的表面硬度及耐磨性、优良的疲劳强度及抗过热性,通常渗氮后表面硬度在920 HV以上。由于渗氮速度较快,可以得到较深的渗氮层深度,但渗氮层的脆性相对较大,因而不适合制作承受很大冲击的零件。该钢多用于制造高疲劳强度、高耐磨性、尺寸精度高、强度较高的各种尺寸不大的渗氮零件,如气缸套、活塞螺栓、精密丝杠、高压阀门以及塑料挤压机耐磨零件等[1]。

某液气弹簧活塞杆在流转运输过程中发生断裂,本文对断裂失效件的化学成分、表面硬度、断口形貌及显微组织进行理化检测,分析和推断活塞杆产生断裂的原因及形成机理,并提出改进建议和措施。

1 宏观检查

受客户委托对液气弹簧活塞杆断裂失效件进行检测,活塞杆采用38CrMoAl钢加工制造,结构如图1(a)所示,工艺流程为原材料—钻床加工—调质处理—数控机加工—渗氮处理—抛光处理,用于重载卡车及动车的机械传动。该活塞杆成品件采用纸箱包装,在流转运输过程中不慎跌落造成断裂,断裂位于杆部与法兰连接的退刀槽部位。断口均沿退刀槽凹槽部位开裂(见图1(b)),可以肯定断裂过程受到凹槽部位倒圆角应力集中影响[2]。在活塞杆的杆部末端边缘存在数条长度10～15 mm同心圆分布的表面裂纹,推测该部位受到外力作用的高速撞击[3](见图1(c))。断口宏观检测发现,快速断裂的放射状条纹横贯整个断口,该失效件断裂速度极快[4](见图1(d, e))。由此推断,纸箱包装的活塞杆在跌落过程中,活塞杆的杆部末端受到高速撞击,造成法兰端承受极大的弯曲应力,最终在应力集中最大的退刀槽凹槽部位发生断裂。

图1 活塞杆失效件的宏观形貌

2 试验分析与讨论

2.1 化学成分分析

从该活塞杆失效件截取样品,采用火花放电直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示。分析结果表明,化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》的要求。

表1 活塞杆失效件的化学成分(质量分数,%)

2.2 表面硬度检测

从该活塞杆失效件截取样品,采用洛氏硬度计进行表面硬度测试,结果如表2所示。测试结果表明,失效件样品表面硬度偏高。

表2 活塞杆失效件的表面硬度(HRC)

2.3 断口扫描电镜检测

采用SIGMA 300扫描电镜对法兰断口样品进行检测,结果如图2所示。可见沿退刀槽凹槽部位形成若干条多源台阶条纹,该多源台阶条纹属于断裂源区,由凹槽部位产生开裂并快速扩展至断裂(见图2(a, e)。法兰侧上下断口扩展初中后期的整个断面均以解理断口为主。这是快速断裂的特征断口,推测样品断裂速度极快[5]。其中图2(a)上中下圆圈分别对应图2(b～d);图2(e)上中下圆圈分别对应图2(f～h)。

图2 活塞杆失效件法兰断口样品的断裂形貌特征

采用扫描电镜配备的能谱仪沿断裂扩展方向对法兰侧上下断口进行能谱测试,结果如图3和表3所示,其中测试点1、2、5、6位于退刀槽侧面表层,测试点7位于靠近退刀槽侧面断口,测试点3、4、8位于远离退刀槽侧面断口。能谱测试结果表明,退刀槽侧面表层氮含量达14%～15%,表明样品经过渗氮处理;靠近退刀槽侧面断口氮含量为2.2%,表明样品存在较深的表面渗氮层[6]。

表3 图3中不同位置的能谱分析结果(质量分数,%)

图3 活塞杆失效件法兰断口样品沿断裂扩展方向的能谱分析

2.4 光学显微镜检验

对活塞杆失效件法兰断口样品上下断口部位的剖面进行显微组织检测,结果如图4所示,其中箭头方向为断裂扩展方向。可见样品法兰端有两处凹槽(见图4(a, e)),由靠近杆部的退刀槽凹槽产生开裂并扩展至断裂,其断裂处的凹槽已经难以辨别,但与之相邻的法兰侧凹槽清晰可见,如图4(b, c, f, g)所示。实测法兰侧凹槽倒圆角半径R分别为0.46和0.49 mm(见图4(d, h)),其中半径0.46 mm凹槽底部存在表面裂纹,表面裂纹两侧渗氮层深度明显加深,表明该表面裂纹形成于渗氮处理之前,属于调质处理过程产生的淬火应力集中开裂[7]。由此推断,退刀槽凹槽同样存在应力集中开裂倾向。断裂源区的退刀槽凹槽表层存在表面裂纹及表面剥落,表明渗氮层脆性大。

图4 活塞杆失效件法兰断口样品的OM照片

活塞杆失效件杆部外圆表层的表面脱碳现象如图5所示,实测脱碳层深度超过0.30 mm。渗氮处理过程中氮原子富集于脱碳层组织,形成脆性针状氮化物。规范要求渗氮处理样品不允许存在块状铁素体,并杜绝存在表面脱碳层[8]。但由于铁素体组织的存在,造成表层脆性显著增大,并由此产生表面裂纹及表面剥落。

图5 活塞杆失效件杆部外圆表面的OM照片

活塞杆失效件法兰断口样品基体的显微组织如图6 所示。可见基体中存在晶粒大小不一的混晶组织。基体组织以大晶粒为主,同时沿粗大晶界分布小晶粒。依据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》评定,大晶粒评为3.5级,小晶粒评为7.5级(见图6(a, b))。基体显微组织为粗大马氏体位向的回火索氏体,参考JB/T 9211—2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》评定,马氏体位向等级评为8级,属于粗大过热组织,样品在调质处理过程的加热温度高,晶粒急剧长大,该粗大过热组织降低了材料强韧性[9](见图6(c, d))。

图6 活塞杆失效件法兰断口样品基体的晶粒(a,b)和马氏体(c,d)形貌

2.5 扫描电镜检测

采用SIGMA 300扫描电镜对法兰断口样品的剖面进行检测,断裂源区的退刀槽凹槽部位存在表面剥层,表明断裂部位脆性大[10]。断裂源区附近的退刀槽表层存在大量脆性针状氮化物,并产生大量表面裂纹及表面剥落,表明渗氮层脆性大(见图7)。样品表层及心部的显微组织为粗大马氏体位向的回火索氏体,材料强韧性比正常晶粒组织显著降低[11](见图8)。

图7 活塞杆失效件法兰断口样品的剖面形貌特征

图8 活塞杆失效件法兰断口样品基体的SEM照片

采用扫描电镜附带的能谱仪沿断口剖面表层区域对法兰断口接口进行能谱测试,结果如图9和表4所示,其中测试点9、12位于退刀槽侧面表层,测试点10、13位于退刀槽侧面次表层,测试点11、14位于基体。能谱测试结果表明,退刀槽侧面表层的氮含量达11%～13%,表明样品经过表面渗氮处理;退刀槽侧面次表层的氮含量为3%～4%,表明渗氮处理样品存在较深的表面渗氮层[12]。

表4 图9中不同位置的能谱分析结果(质量分数,%)

综上所述,活塞杆在流转运输过程中发生断裂,断裂位于杆部与法兰连接的退刀槽凹槽部位。在活塞杆的杆部末端外圆存在数条表面裂纹,表面裂纹呈圆弧状分布扩展,推测该处受到外力作用的高速撞击。断口呈快速断裂的放射状条纹特征形貌,表明该失效件断裂速度快。扫描电镜检测到退刀槽凹槽部位存在多源台阶条纹,表明裂纹源在凹槽部位产生并快速扩展至断裂。整个断面以解理断口为主,这是快速断裂的形貌特征,由此表明样品断裂速度极快。活塞杆的杆部末端受到高速撞击,造成法兰端承受极大的弯曲应力,最终在应力集中最大的退刀槽凹槽部位发生断裂。

法兰断口剖面显微组织检测发现法兰端存在两处凹槽,在靠近杆部的退刀槽凹槽产生断裂。实测法兰侧凹槽倒圆角R极小并存在表面裂纹,表面裂纹两侧渗氮层明显加深,该表面裂纹形成于渗氮处理之前,属于调质处理过程形成的淬火应力集中开裂,由此推断退刀槽凹槽同样存在应力集中开裂倾向。断裂源区存在表面裂纹及表面剥落,渗氮层脆性大。杆部外圆存在表面脱碳层,氮原子富集于脱碳层组织,产生脆性针状氮化物。渗氮处理之前不允许存在块状铁素体,并杜绝存在表面脱碳层。由于铁素体组织存在,造成渗氮层脆性显著增大,并由此产生表面裂纹及表面剥落。

扫描电镜检测发现,断裂源区存在表面剥层缺陷组织,表明退刀槽凹槽部位脆性极大。退刀槽表层存在大量脆性针状氮化物,并由此产生表面裂纹及表面剥落,表明表面渗氮层脆性大。显微组织为粗大马氏体位向的回火索氏体,基体为粗大过热组织,材料强韧性显著降低。

3 结论及改进建议

1) 该活塞杆运输过程中发生断裂,主要原因是活塞杆受到高速撞击,弯曲应力造成退刀槽凹槽部位发生断裂;凹槽部位倒圆角半径R极小,极易形成应力集中开裂;渗氮处理过程不规范,表层产生脆性剥层,增加凹槽部位开裂倾向;基体存在粗大过热组织,进一步加大断口开裂进程;活塞杆外圆残留表面脱碳层,表层富集针状氮化物,造成表面裂纹及表面剥落。

2) 在调质处理过程中,应规范执行热处理工艺,防止产生粗大过热组织;机加工过程控制凹槽部位倒圆角半径R,并去除调质处理过程产生的表面脱碳层;严格执行渗氮处理工艺,降低表面渗氮层脆性倾向。