缸底件锻后调质处理开裂失效分析
摘 要：该文主要分析凯旭公司液压传动用缸底锻件，材质为45#普通碳素钢，经热加工锻造及调质处理，发现缸底内侧纵向开裂。对该失效件进行理化检测分析，结果表明试样组织中，由于非金属夹杂物引起的带状组织严重，纵向抗破断强度明显小于横向锻造应力及调质处理过程中的淬火应力，远大于组织的晶间结合力，造成淬火开裂。
关键词：带状组织 过热组织 晶间开裂
中图分类号：TH13文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0068-01
1 状态说明
（1）凯旭公司液压传动用缸底件，缸底的体积较大，重量达890 kg，设计要求应有较高的强度和较好的韧性。因此选用中碳钢进行调质处理，保证工件正常运行和使用寿命。
（2）材质为45#钢的缸底件，材料热加工工艺为锻造后调质处理。据调查锻造加热采用煤油喷管式燃烧加热，加热温度较难控制。调质处理后，缸底件的内孔部位出现数条纵向开裂裂纹，工件中间部位裂缝较大，两端面缝隙较小。
（3）由工件中部线切割切取样块，切取下来的样块裂为两半，裂缝部位显示出粗大的沿晶裂纹。样块剖开后，目测可见断裂面呈粗大木纹状断口的形貌特征。
2 化学分析
（1）在生产加工记录表中，追溯到该批产品的质保书，查到原材料批号、材料牌号、圆钢直径。从库存中的原材料上截取样块，以供化学成分检测。
（2）截取尺寸为长25×宽25×厚15mm的原材料样块，进行化学成分检测。检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪，检查结果表明化学成分符合材料标准要求。
3 金相分析
（1）金相显微镜低倍率观察，试样表面开口处裂纹平直，裂纹宽度较大，大部分区域显示为穿晶开裂的形貌特征即瞬间开裂的剪切唇。主裂纹旁边的二次裂纹呈曲折的沿晶扩展开裂，裂纹附近可见明显的白亮色带状组织。二次裂纹的沿晶扩展开裂形式，表明材料组织的脆性较大。
（2）裂纹中部金相组织显示，粗大原始的晶粒正在剥落分离，有些裂纹部位已经完全剥落分开。经晶粒度标准测量，这种粗大的稳定化过热组织，加热温度已经超过1200 ℃，材料组织的晶粒急剧长大。在1200 ℃以上的锻造温度下，锻造热加工后空冷的过程中，在晶界上形成强度很低的脆性层，这就是稳定化过热组织的遗传性。后序的调质处理，只能将锻造过热的粗大连续网改变为断续网。
（3）在裂纹扩展的大部分区域，呈现笔直的带状裂纹，裂纹沿白亮色带状组织交错延伸，裂纹交接处锲向开裂。这种由非金属夹杂物形成的带状组织，正常正火及调质处理温度是无法消除的，只有采用加热温度在1100 ℃以上的扩散退火才能改善。
（4）带状组织的白亮区内，存在较严重的非金属夹杂物，夹杂物呈浅灰色长条状分布，夹杂物两端近似仿锤状，塑性较好，根据非金属夹杂物的形状和特征分析，这种非金属夹杂物属于典型的A类硫化铁、硫化锰夹杂物⑹。由于工件体积庞大，属于大型锻件，调质处理淬火无法使工件心部发生马氏体相变，只能保存原始的锻造组织，于是原始粗大过热组织保留了下来。
4 结论分析
（1）钢加热到稳定化过热组织的温度以上，硫化铁、硫化锰夹杂物在晶界上发生偏析，或产生大量微细的硫化物颗粒在晶界沉淀。随着加热温度提高，奥氏体中的过饱和度进一步增加，在随后冷却过程中，硫化物杂质在奥氏体晶界上析出更为严重，以致产生硫化铁、硫化锰及其共晶体沉淀，晶界显著弱化及脆化。
（2）存在有稳定化过热组织的零件受力时，沿晶界析出的第二相质点，使晶间结合力显著降低，促使沿奥氏体晶界开裂。
（3）试样原始带状组织严重，且带状组织内存在大量的硫化物夹杂。在远远超过硫化物共晶体熔点的1200 ℃以上温度锻造加工，带状组织内的硫化物共晶体必然熔化，锻造时沿含有液态硫化物的带状组织撕开。后序的调质热处理的淬火应力，使原始的锻造裂纹进一步扩展，最终呈现木纹状开裂的形貌特征。
5 改进措施
（1）对于原材料带状组织严重的偏析组织，以及锻造加工造成的稳定化过热组织，工件在调质处理之前必须预先热处理。预先热处理采用高温扩散退火加完全退火的加工工艺。完全退火的目的，是细化高温扩散退火产生的粗大晶粒，提高锻件抗拉强度和冲击韧度，为后期热处理的质量提供保障。
（2）调质热处理时，在加热过程中应缓慢升温，最好采用阶梯式加热，在400 ℃左右保温2 h，在600 ℃左右保温2 h，然后升温至淬火温度保温1.5 h。工件出加热炉膛淬火时应首先预冷，淬火介质采用等温淬火油，淬火后必须带温出油，利用出油余热产生自回火，最大限度地降低淬火应力。在高温回火时也必须缓慢加热，同样必须防止热应力过大而开裂。
参考文献
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