蓄能器材料為35CrMo鋼,該鋼的顯微組織為回火索氏體＋鐵素體。35CrMo鋼的強度高、塑性及韌性好,具有良好的綜合力學性能。35CrMo鋼常用于制造汽車、拖拉機、機床及其他要求具有良好綜合力學性能的各種重要零部件,如柴油機連桿螺栓、汽車底盤上的半軸以及機床主軸等[1]。 

某廠使用35CrMo鋼管生產蓄能器,該蓄能器的加工工藝流程為：下料→熱軋→退火→調質處理,調質處理工藝為淬火＋高溫回火處理。該蓄能器在使用1 a后發生泄漏事故,靜水壓試驗后,發現蓄能器殼體管壁存在裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法對其開裂原因進行分析,以防止該類事故再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

蓄能器殼體宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：目視無法識別外壁裂紋,內壁裂紋清晰可見。 

圖  1  蓄能器殼體宏觀形貌

在開裂位置制備1～4號試樣,在內壁未經打磨的區域制備5號試樣,對6號試樣進行化學成分分析和力學性能測試(見圖2)[2]。 

圖  2  取樣位置

內壁先開裂的區域斷口呈黑色且顏色黯淡,后續開裂的區域顏色呈灰色,呈現平直特征,3號試樣斷口宏觀形貌如圖3所示。 

圖  3  3號試樣斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

對6號試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：蓄能器殼體的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對35CrMo鋼的技術要求。 

1.3   掃描電鏡分析

將3號試樣置于掃描電鏡(SEM)下觀察,結果如圖4所示。 

圖  4  3號試樣裂紋源區和擴展區SEM形貌

1.4   力學性能測試

對6號試樣進行力學性能測試,結果如表2所示。由表2可知： 蓄能器殼體的力學性能符合標準GB/T 3077—2015對35CrMo無縫鋼管的技術要求[3－4]。 

1.5   金相檢驗

將2號試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：裂紋呈豎直方向,且與內壁垂直,裂紋兩側組織與基體組織一致,無氧化脫碳現象。 

圖  5  2號試樣裂紋微觀形貌

將4號試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：斷裂面存在裂紋。 

圖  6  4號試樣微觀形貌(拋光態)

將5號試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖7所示。由圖7可知：鋼管殼體內壁存在氣泡、凹坑等表面缺陷。 

圖  7  5號試樣內壁微觀形貌

在蓄能器殼體中取樣,并對試樣進行非金屬夾雜物檢驗,評級結果為：硅酸鹽C0.5級,球狀氧化物D1.5級。1號試樣非金屬夾雜物微觀形貌如圖8所示。蓄能器殼體中的非金屬夾雜物級別達到標準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》的要求。 

圖  8  1號試樣非金屬夾雜物微觀形貌

2號試樣顯微組織形貌如圖9所示。黑色區域晶粒度評級結果為9級,白色區域晶粒度評級結果為7級,心部與表面晶粒度級別未見明顯差異。高級優質結構鋼的晶粒度要求應為5級或更細,蓄能器殼體金屬晶粒度符合標準GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》要求。 

圖  9  2號試樣顯微組織形貌

5號試樣的顯微組織形貌如圖10所示。由圖10可知：顯微組織為回火索氏體＋鐵素體,評級結果均為2級。顯微組織符合標準GB/T 13320—2007 《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》要求[5]。 

圖  10  5號試樣顯微組織形貌

2.   綜合分析

蓄能器利用氣體(氮氣)的可壓縮性來達到儲存液體的目的,當壓力升高時,油液進入蓄能器,氣體被壓縮,當壓力下降時,壓縮氣體膨脹,油液壓入回路[6]。 

35CrMo鋼蓄能器殼體的化學成分、力學性能均符合標準要求。蓄能器殼體經過調質處理,組織得到細化,具有良好的力學性能,但由于穿孔時內壁存在凹坑、氣泡等表面缺陷,內壁質量不合格,使其在軋管、定徑等工序中產生裂紋。蓄能器在使用過程中受內部介質氣體和液壓油的反復加壓,微裂紋逐漸擴展至管壁外表面,最終導致蓄能器開裂。 

3.   結論與建議

制做蓄能器殼體的鋼管存在微裂紋,蓄能器工作時,內部介質氣體和液壓油產生的壓力使微裂紋逐步擴展,導致蓄能器開裂。 

建議嚴格控制產品加工工藝,加強過程控制和完善關鍵控制點的檢驗檢測工作。加強質量管理,對不符合標準的工序嚴格管控,保證35CrMo熱軋無縫鋼管的質量,避免產生裂紋。 

文章來源——材料與測試網