某SS400減震器貯油缸鋼管開裂原因分析

劉艷梅，趙美蘭，馮 輝，王鐵鋼

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222；2.天津重型裝備工程研究有限公司，天津 300457；3.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016）

在汽車懸架系統(tǒng)中，汽車減震器是用來吸收和耗散由路面不平引起的震動能量，加速車架與車身振動的衰減，以改善汽車行駛的平順性的一個重要部件。減震器不僅提高了汽車穩(wěn)定性和舒適感，延長了汽車零部件的使用壽命，節(jié)省了燃料，而且還降低了汽車維修和保養(yǎng)的成本[1-2]。但減震器因其結(jié)構(gòu)、功能及工作環(huán)境的特點，是車輛上售后維修率最高的零件之一[3]。減震器工作好壞，將直接影響汽車行駛的安全性、平穩(wěn)性，以及其他零部件的使用壽命[4-5]。

某企業(yè)生產(chǎn)的小汽車在試車期間出現(xiàn)減震器貯油缸漏油現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)減震器貯油缸鋼管開裂失效。汽車零部件失效會導(dǎo)致駕駛員無法正?？刂破囅到y(tǒng)，由此可能造成道路事故。而防控交通事故的基本前提在于杜絕汽車行駛中的零部件失效，最大限度內(nèi)防控機械零件失效引發(fā)的道路事故，從而保障汽車行駛中的良好狀態(tài)[6-7]。因此，有必要對減震器貯油缸鋼管開裂失效原因進(jìn)行分析，找到其失效原因，為后續(xù)生產(chǎn)提出改進(jìn)和預(yù)防措施，為防止同類失效的再發(fā)生提供重要依據(jù)，從而達(dá)到提高貯油缸產(chǎn)品質(zhì)量的目的[8]。本文對開裂的減震器貯油缸的斷口裂紋源進(jìn)行宏觀及微觀分析，結(jié)合鋼管的顯微組織及化學(xué)成分分析，探究造成減震器貯油缸開裂的原因，以確定貯油缸的開裂失效機理。

1 試樣制備及試驗方法

開裂的減震器貯油缸如圖1所示。減震器貯油缸鋼管直徑45 mm，壁厚2.5 mm，鋼管基體材料為熱軋態(tài)的SS400焊接鋼管，鋼管表面經(jīng)電泳處理。裂紋產(chǎn)生于貯油缸與汽車裝配連接處，見圖1（a），沿貯油缸周向開裂，裂紋附近存在大量腐蝕性介質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物，見圖 1（b）。

圖1 開裂的減震器貯油缸

利用直讀光譜儀分析開裂的減震器貯油缸鋼管的化學(xué)成分。將貯油缸沿裂紋打開，用清洗液清洗斷口，對斷口及斷口側(cè)面的外觀形貌進(jìn)行觀察分析。利用TESCAN VEGAⅡSBH掃描電鏡分析貯油缸斷口顯微形貌，截取貯油缸鋼管的截面制備金相樣品，利用ZEISS Axiovert 40 MAT光學(xué)顯微鏡觀察樣品的顯微組織。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分分析

對開裂的貯油缸鋼管基體的化學(xué)成分進(jìn)行分析，貯油缸鋼管基體的化學(xué)成分wt（%）如表1所示。鋼管基體的化學(xué)成分滿足JISG3101（2004）標(biāo)準(zhǔn)中SS400鋼的成分要求，貯油缸鋼管基體成分合格。

表1 貯油缸鋼管基體的化學(xué)成分wt（%）

2.2 宏觀分析

貯油缸鋼管斷口及斷口側(cè)面的外觀形貌如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，貯油缸原來已經(jīng)開裂約為周向的3/4。從圖2（b）可以看出，貯油缸斷口處電泳涂層脫落，脫落寬度距離斷口2～7 mm，涂層脫落處金屬有銹蝕現(xiàn)象。從圖2（c）可以看出，貯油缸管壁存在管壁變薄區(qū)，壁厚約2 mm，裂紋源位于管壁變薄區(qū)。

圖2 貯油缸鋼管斷口及斷口側(cè)面的外觀形貌

貯油缸鋼管斷口微觀形貌如圖3所示。裂紋源位于貯油缸管壁變薄區(qū)的外壁，該處裂紋沿管壁外表面向內(nèi)擴展，且有明顯腐蝕現(xiàn)象，裂紋擴展區(qū)存在點腐蝕坑，見圖3（a）。擴展區(qū)較平整，為貯油缸開裂后反復(fù)摩擦所致，見圖3（b）。裂紋瞬斷區(qū)韌窩明顯，為塑性斷裂，見圖 3（c）。

圖3 貯油缸鋼管斷口微觀形貌

2.3 顯微分析

貯油缸斷口處金相試樣拋光和腐蝕后的顯微形貌如圖4所示。裂紋源處切取試樣，經(jīng)磨拋、腐蝕后觀察，貯油缸鋼管外壁存在裂紋，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物沿裂紋分布，為應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

圖4 貯油缸斷口處金相試樣拋光和腐蝕后的顯微形貌

貯油缸鋼管金相試樣非金屬夾雜物和顯微組織形貌如圖5所示。非金屬夾雜物為A類和D類，均≤0.5級，見圖5（a）。試樣的金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒細(xì)小，未見帶狀組織及過熱、過燒及其他組織缺陷，為正常的熱軋狀態(tài)組織，見圖5（b）。

圖5 貯油缸鋼管金相試樣非金屬夾雜物和顯微組織形貌

3 結(jié)果分析與討論

在汽車懸架中，減震器總是和彈簧配合使用，當(dāng)壓下車身的一角時，實際上壓縮的是彈簧，同時相應(yīng)地擺臂擺轉(zhuǎn)。當(dāng)松開車身后，在彈簧力下，車身要反彈，此時減震器對彈簧的反彈起到了阻尼作用，即在反彈后趨于穩(wěn)定。如果沒有減震器，彈簧在反彈后會再次被壓縮，再反彈，表現(xiàn)為車身多次反彈后趨于穩(wěn)定。減震器通過結(jié)構(gòu)或設(shè)備，利用流體把彈簧的彈性能量轉(zhuǎn)換成熱能，抑制路面狀況傳遞給車身的震動，使車輛運動收斂更合理化，從而讓駕駛員遠(yuǎn)離震動帶來的不適感，盡量減小路面狀況對汽車行駛的穩(wěn)定性和舒適度的影響[1]。因此，減震器的作用就是在汽車懸架的彈簧反彈時起到阻尼減震[9]。

一般而言，汽車造成損壞有3個因素，即腐蝕、磨損、意外事故。貯油缸在車上的裝配結(jié)構(gòu)見圖1（a）。車輛正常行駛時，對懸架系統(tǒng)來說，當(dāng)其中的彈性元件受沖擊時，會產(chǎn)生不同程度的震動，減震器貯油缸在工作過程中經(jīng)受高壓作用，必須有良好的氣密性和拉伸斷裂抗力[4，10]。而大氣中的SO2和Cl-，含硫物質(zhì)和堿性土壤造成的灰塵等都使汽車處于腐蝕的環(huán)境中，因此減震器貯油缸在汽車行駛過程中會受到外界施加的作用力及周圍復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)腐蝕的雙重作用[11]。

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，減震器貯油缸的成分符合JISG3101（2004）標(biāo)準(zhǔn)中SS400鋼的成分要求[12]。貯油缸試樣顯微組織為珠光體+鐵素體，是正常的熱軋狀態(tài)，金相組織細(xì)致，未見組織粗大等過熱、過燒及其他組織缺陷，并且鋼管的非金屬夾雜物及帶狀組織都在正常范圍內(nèi)。因此，可知貯油缸鋼管基體材料的冶金及熱處理狀態(tài)未見異常。

本文開裂的減震器貯油缸采用電泳涂裝技術(shù)進(jìn)行了涂裝。電泳涂層起到了提高耐腐蝕性能及抗沖擊性能的作用，在汽車減震器涂裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。開裂的貯油缸表面的電泳涂層在斷口附近產(chǎn)生較嚴(yán)重的脫落，嚴(yán)重影響了貯油缸鋼管的抗腐蝕性能。電泳涂裝的前處理階段、后清洗階段、漆膜烘烤以及電泳涂裝階段工藝參數(shù)（固體分、電導(dǎo)率、電壓、溫度等）控制不當(dāng)，都會影響漆膜的附著力和耐蝕性，進(jìn)而影響電泳涂層的使用壽命[13-14]。同時，涂層所受應(yīng)力過大，超過涂層結(jié)合力，涂層也會出現(xiàn)磨損、脫落現(xiàn)象[15]。電泳涂層所受應(yīng)力可能來自汽車行駛過程中的異常震動或裝配過程中產(chǎn)生的過大的裝配應(yīng)力，這些都會導(dǎo)致應(yīng)力過大，進(jìn)而涂層脫落。

貯油缸與汽車機架裝配，車輛在行駛過程中，貯油缸承受反復(fù)震動的作用力。同時，貯油缸的使用環(huán)境存在腐蝕性介質(zhì)，使貯油缸在交變載荷及介質(zhì)腐蝕共同作用下，鋼管外表面的電泳涂層發(fā)生脫落。電泳涂層脫落部位的貯油缸鋼管的金屬裸露在外，金屬表面無涂層保護(hù)，在外界環(huán)境腐蝕介質(zhì)作用下鋼管快速腐蝕。貯油缸鋼管電泳涂層脫落部位在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下，逐漸被蝕損，導(dǎo)致貯油缸鋼管管壁逐漸變薄。貯油缸鋼管管壁變薄，鋼管承載能力下降，鋼管在腐蝕及應(yīng)力的共同作用下，外表面產(chǎn)生裂紋，并逐漸向內(nèi)部擴展，最終導(dǎo)致貯油缸鋼管開裂。

4 結(jié)論

（1）貯油缸管壁顯微組織為珠光體+鐵素體，是正常的熱軋狀態(tài)。

（2）貯油缸鋼管在開裂位置存在電泳涂層脫落現(xiàn)象，并且該處貯油缸鋼管管壁變薄。貯油缸鋼管裂紋起源于貯油缸管壁外表面，并且從表面向試樣內(nèi)部擴展。

（3）電泳涂層脫落后裸露的鋼管基體在應(yīng)力和腐蝕的共同作用下，逐漸被蝕損，貯油缸鋼管承載能力下降，在應(yīng)力腐蝕作用下鋼管裂紋萌生、擴展，并最終導(dǎo)致貯油缸鋼管開裂。