撞針體開裂分析

徐心潔，何 軍，林文欽，路 寒，王浩宇

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091)

撞針體開裂分析

徐心潔，何 軍，林文欽，路 寒，王浩宇

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091)

材料為30CrMnSiA的撞針體零件在交付之后發(fā)現(xiàn)部分零件外表面存在裂紋，與其同批次的原材料表面亦在熱處理工序之后發(fā)現(xiàn)疑似裂紋痕跡。通過對(duì)撞針體進(jìn)行斷口宏觀及微觀觀察、能譜成分分析、金相組織檢查和顯微硬度測(cè)試，并與其原材料進(jìn)行對(duì)比檢查分析，最終確定了撞針體的開裂原因。結(jié)果表明：在熱處理工序之前撞針體原材料已經(jīng)存在初始折疊缺陷，該初始折疊缺陷是導(dǎo)致撞針體開裂的主要原因；建議在原材料進(jìn)行熱處理之前增加無損檢測(cè)工序，及時(shí)排除初始缺陷(折疊)隱患。

30CrMnSiA；撞針體；折疊；熱處理；脫碳

0 引言

鉻錳硅鋼是在鉻錳鋼與鉻硅鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的低合金結(jié)構(gòu)鋼。它與鉻硅鋼相比，有較高的淬透性；與鉻錳鋼相比，有較高的強(qiáng)度和較好的焊接性，因此廣泛用于結(jié)構(gòu)零件[1]。30CrMnSiA鋼是使用最廣泛的調(diào)質(zhì)鋼之一，在淬火高溫回火狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性[2]。被廣泛用于各種工業(yè)設(shè)施中，由于承受環(huán)境各異，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)各種失效狀況，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果，因此，國(guó)內(nèi)對(duì)30CrMnSiA鋼材的失效研究比較多，也取得了很多的成果，包括熱處理工藝改進(jìn)、鍛件缺陷分析以及零件斷裂分析等[3-8]。與由于裝配問題或者使用不當(dāng)所造成的零件失效不同，原材料缺陷所帶來的零件失效通常都呈大批量出現(xiàn)，會(huì)給生產(chǎn)帶來巨大的損失，嚴(yán)重影響生產(chǎn)周期。而這類缺陷如果在熱處理工序之前就檢查出來，是可以通過機(jī)械加工去除的。

材料為30CrMnSiA的撞針體零件在交付之后，抽檢中發(fā)現(xiàn)多件零件外表面存在裂紋。經(jīng)后續(xù)排查，發(fā)現(xiàn)與開裂撞針體同批次的、在熱處理工序之后的原材料表面亦有個(gè)別存在疑似裂紋痕跡。撞針體的主要工藝規(guī)程如下：下料→熱處理(σb=(1 175±100) MPa)→機(jī)加工→檢驗(yàn)→表面處理(淬火、回火，去應(yīng)力回火，化學(xué)鍍鎳)→檢驗(yàn)。

為查明撞針體裂紋的性質(zhì)及產(chǎn)生原因，觀察開裂的撞針體的斷口宏觀和微觀形貌,分析其能譜、金相組織及顯微硬度，并與其原材料進(jìn)行對(duì)比分析，以確定其開裂原因，并提出相關(guān)工藝改進(jìn)建議。

1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1宏觀分析

經(jīng)肉眼觀察，撞針體外表面沿平行于軸向方向有一條筆直裂紋，上端部位的裂紋向心部擴(kuò)展約1 mm，下端壁厚較薄的部位已經(jīng)裂透(圖1a、圖1b)。原材料表面的疑似裂紋的走向及形貌和成品零件一致，觀察其圓柱形的端面部位，疑似裂紋的深度不到1 mm(圖1c)。將撞針體沿開裂處打開觀察斷口。斷口總體呈黑色，局部呈黃色氧化色；斷口整體較為平滑，局部存在片層狀堆積物。為方便后續(xù)描述，將下端一側(cè)的較細(xì)斷口編為斷口A，其余較粗?jǐn)嗫诰帪閿嗫贐(圖2)。

圖1 撞針體及其原材料表面裂紋形貌Fig.1 Crack appearance of firing pin and raw material

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic fracture surface

1.2微觀分析

將斷口用超聲波清洗儀清洗后，置于型號(hào)為JSM-5910LV的掃描電鏡下進(jìn)行觀察。斷口A與斷口B的形貌類似，均較為平整，整體呈片層狀堆疊形貌(圖3、圖4)。斷口A、B靠近外表面一側(cè)的表面鍍層基本完好，心部存在明顯附著物(圖5)，且大部分?jǐn)嗫诙急灰粚友趸锔采w，無法觀察到其原始斷口形貌。

經(jīng)能譜儀檢測(cè)，斷口A、B靠近外表面鍍層的斷口部位存在大量鍍層成分(Ni、P)，斷口心部O含量很高(表1)。由此可以看出，斷口整體存在明顯的氧化現(xiàn)象，且撞針體斷口靠近外表面一側(cè)存在鍍層滲入跡象，說明該撞針體在進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳這一步之前已經(jīng)開裂。

1.3金相組織檢查

沿垂直于斷口、垂直于原材料軸向分別制取斷口部位及原材料的金相試樣。

分別將斷口部位金相試樣和原材料金相試樣用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕劑腐蝕過后進(jìn)行觀察，結(jié)果如下：斷口部位金相試樣在靠近斷口一側(cè)有明顯的脫碳現(xiàn)象，脫碳層(全脫碳+半脫碳)總深度約561 μm(圖6)。原材料金相試樣表面部位存在疑似裂紋的部位，可見一處明顯缺陷，深度約117 μm；缺陷起始端和外表面約呈45°，起始端和末尾段均比較細(xì)，中部較粗，四周呈網(wǎng)絡(luò)狀分布著少量顆粒物，缺陷的兩側(cè)較為平滑，無偶合性，末尾端圓滑(圖7)。斷口金相試樣心部及原材料心部的金相組織均為正常的回火索氏體組織(圖8)。

圖3 斷口A低倍形貌Fig.3 Low-magnification appearance of fracture A

圖4 斷口B低倍形貌Fig.4 Low-magnification appearance of fracture B

圖5 斷口心部附著物形貌Fig.5 Appearance of attachments at the core of fracture surface

圖6 開裂件斷口附近 Fig.6 Near the fracture surface of failed part

圖7 原材料靠近表面部位的折疊 Fig.7 Fold near the surface of raw material

圖8 開裂件心部及原材料心部金相組織形貌 Fig.8 Core metallographic structure of failed part and raw material

根據(jù)缺陷的形貌特征，文獻(xiàn)[9-10]對(duì)金屬折疊基本形貌特征的描述，可判定該缺陷為折疊。用能譜儀對(duì)原材料基體及折疊內(nèi)部的深灰色物質(zhì)和顆粒物進(jìn)行成分分析，結(jié)果顯示深灰色物質(zhì)和顆粒物的主要成分為O、Fe，屬于鐵的氧化物，具體數(shù)據(jù)見表2。

表1 斷口不同部位成分對(duì)比表 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Composition analysis results of different fracture area (mass fraction /%)

表2 原材料不同部位成分對(duì)比表Table 2 Composition analysis results of different area of raw material

1.4顯微硬度檢查

對(duì)開裂撞針體及其原材料進(jìn)行不同部位的維氏顯微硬度檢測(cè)，結(jié)果見表3。由表3可以看出，原材料及開裂撞針體心部的硬度值一致，說明其熱處理工序一致；原材料折疊部位及開裂撞針體斷口附近(即兩者的全脫碳部位)的硬度值一致，兩者全脫碳部位的硬度值僅為原材料心部(組織正常部位)的一半，證明脫碳形貌非制樣假象。

根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》[11]，對(duì)原材料及開裂件心部的硬度值進(jìn)行強(qiáng)度換算，其結(jié)果約為1 277 N/mm2，和工藝規(guī)程的要求((1 175±100) MPa)相比，該強(qiáng)度值偏上限。

表3 原材料、開裂撞針體不同部位顯微硬度值對(duì)比表

2 分析與討論

根據(jù)撞針體的斷口宏觀形貌特征，可以看出其為陳舊斷口，對(duì)斷口微觀形貌特征的檢查結(jié)果顯示斷口表面被一層氧化物所覆蓋，證實(shí)了陳舊斷口這一推測(cè)。并且由能譜檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，靠近外表面的斷口含有大量表面鍍鎳層的成分，說明該撞針體在進(jìn)行表面化學(xué)鍍鎳這一步之前已經(jīng)開裂。

文獻(xiàn)[10]顯示：合金結(jié)構(gòu)鋼(如30CrMnSiA、30CrMnSi、30CrMnSiNi2A……)中的裂紋經(jīng)450 ℃以上加熱之后，裂紋內(nèi)腔不再為潔凈的凹槽，而是被黑灰色或灰色的氧化物所填充；若金屬裂紋暴露在空氣中經(jīng)850～900 ℃加熱后，缺陷內(nèi)腔及兩側(cè)附近基體在形成氧化鐵的同時(shí)，部分氧化鐵被還原成鐵素體；此外，在裂紋兩側(cè)及尾端附近的基體上還會(huì)產(chǎn)生顆粒氧化鐵及網(wǎng)絡(luò)。以上形貌在撞針體原材料的金相試樣上均得到體現(xiàn)，而且氧化物夾雜沿折疊擴(kuò)展方向均勻分布在折疊兩側(cè)及尾段附近的基體上，這些現(xiàn)象充分說明撞針體原材料折疊部位周圍的氧化夾雜是經(jīng)高溫氧化所形成的，也就是說，在熱處理工序之前原材料已經(jīng)存在初始缺陷(折疊)。實(shí)際檢查結(jié)果顯示脫碳部位是以折疊為中心向外擴(kuò)展，說明該初始缺陷(折疊)為原材料主要開裂的原因。結(jié)合撞針體靠近斷口一側(cè)的脫碳現(xiàn)象以及其斷口心部的氧化現(xiàn)象，可以確定撞針體的開裂模式和其原材料一致，也就是說，原材料存在表面初始缺陷(折疊)是撞針體開裂的主要原因。

根據(jù)撞針體的主要工藝規(guī)程，該零件是直接從原材料上下料后機(jī)加而成，所以原材料表面的折疊是在鋼管的生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的。根據(jù)折疊內(nèi)部觀察到的深灰色條狀物以及檢測(cè)出的鐵的氧化物成分，可以判斷該深灰色物質(zhì)為生產(chǎn)鋼管時(shí)折入缺陷內(nèi)部的氧化皮。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，折疊缺陷為鋼管在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鍛造缺陷，未成形的無縫鋼管在經(jīng)過穿孔設(shè)備擠壓時(shí)，設(shè)備表面的毛刺或氧化皮折入熱鋼管表面形成折疊缺陷，形成的折疊缺陷具有內(nèi)部氧化皮形態(tài)疏松、缺陷表面平齊和缺陷四周有脫碳現(xiàn)象等特征[12-13]。由此可知本文中的撞針體原材料折疊缺陷應(yīng)屬于該種情況。考慮到原材料的折疊缺陷深度并不大(約117 μm)，采用適度的機(jī)械加工完全可以去除；若在熱處理之前增加無損檢測(cè)工序，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)原材料表面的折疊缺陷，并在之后的機(jī)加過程中將其去除，避免由于折疊缺陷造成零件報(bào)廢。

3 結(jié)論

1)撞針體原材料存在初始缺陷(折疊)是導(dǎo)致撞針體發(fā)生開裂的主要原因。

2)建議在原材料進(jìn)行熱處理之前增加無損探傷工序，排除原材料的初始缺陷(折疊)隱患；并在滿足成品尺寸要求的前提下增大車削余量，盡可能去除原材料表面缺陷。

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CrackAnalysisofFiringPin

XU Xin-jie，HE Jun，LIN Wen-qin，LU Han，WANG Hao-yu

(AVICChengduAircraftIndustrial(Group)Co.,Ltd.,Chengdu610091,China)

Some 30CrMnSiA firing pins were found to have cracks at the surface after heat treatment. In order to find out the cracking cause of the firing pins, macro and micro observation on the fracture surface, energy spectrum analysis, metallurgical structure examination and micro-hardness testing were carried out and the results were compared with the test results of raw material. The results show that there are original defects (fold) in raw material, which is the main cause for the cracking of the firing pins. It is proposed that nondestructive inspection should be used before heat treatment of raw material in order to get rid of the possible existence of original defects(fold ).

30CrMnSiA；firing pin；fold；heat treatment；decarbonization

2017年3月18日 [

] 2017年4月30日

徐心潔(1985年-)，女，碩士，工程師，主要從事金屬材料金相檢測(cè)、失效分析等方面的研究。

TG111.91

Adoi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2017.03.006

1673-6214(2017)03-0169-05