【失效分析】结构钢活塞主轴功能测试断裂分析

06月,12,2023 | 浏览次数：55825

结构钢活塞主轴功能测试断裂分析

结构钢活塞主轴功能测试断裂分析

背景：气缸活塞主轴在组装气密性测试时发现开裂不良，不良率4%。实验室配合现场进行缺陷分析，探讨活塞主轴开裂根本原因，方便现场进行针对性改善。
分析结果：裂纹源于内孔尖角处，裂纹内未观测到镀铬层；主轴调质淬火呈明显的三层组织，局部位置已淬透；基材化学成分不符合S45CM规格，属40Cr类钢；工件淬硬层硬度高达54.5HRC。
失效症状：主轴上局部裂纹
失效形式：断裂
失效机理：40Cr钢依S45CM方式水淬调质，易引起极大的内应及脆性风险。
根本原因：主轴基材化学成分不符合S45CM规格，实为40Cr钢类型。
改善建议：改善热处理工艺，选择适合40Cr钢材类的淬火介质油。

一、背景

气缸活塞主轴在组装气密性测试时发现开裂不良，不良率4%。实验室配合现场进行缺陷分析，探讨活塞主轴开裂根本原因，方便现场进行针对性改善，以确保后续生产顺利进行。
素材：S45CM棒材，调质预处理
加工流程：棒材机加工—高频感应加热淬火及回火—外圆精加工—镀硬铬

二、分析方案

2.1 取样

开裂不良品

2.2 分析项目

切片观察：将样品制成切片，用金相显微镜对开裂位置进行截面分析；
金相组织分析：用金相显微镜分析样品的金相组织及淬火深度；
成份鉴定：利用Spark-AES进行成分鉴定；
硬度分析：利用维氏硬度计分析样品的表芯硬度。

三、实验结果

3.1 切片截面分析

裂纹源于内孔尖角处，裂纹内未观测到镀铬层，推测样品在气密性测试段发生开裂。

3.2 金相组织

零件外层组织为回火马氏体+少量残余奥氏体，内层组织为回火索氏体+块状铁素体，两层交界处组织为回火马氏体+回火索氏体+少量托氏体。组织呈带状偏析。

3.3 淬硬层深度

样品淬硬层深度不均匀( 0.5mm ~4.0mm);
内孔处(开裂位置)已完全淬透(深度约2.4mm)，可能为导致后续工艺开裂失效的主要原因。

3.4 材质判定

Points	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	Fe
Single	0.41	0.28	0.63	0.018	0.006	0.99	0.032	0.19	0.014	97.3
Single	0.40	0.28	0.64	0.017	0.008	0.99	0.032	0.19	0.014	97.3
Average	0.41	0.28	0.63	0.018	0.007	0.99	0.032	0.19	0.014	97.3

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Ni+Cr	Mo
S45CM(JIS G 3311: 2004)
0.42-0.48	0.15-0.35	0.60-0.90	0.030max	0.035max	0.20max	0.20max	0.20max	0.30max	/
40Cr(GB/T 3077-1999):
0.37-0.44	0.17-0.37	0.50-0.80	0.035max	0.035max	0.80-1.10	0.30max	0.30max	/	0.15max

基材化学成分不符合S45CM规格，属40Cr类钢；
40Cr钢淬透性高于S45CM，两者淬火介质不同，如用S45CM的水淬方式，极可能会使相同条件下40Cr材料的工件开裂倾向大。

3.5 硬度测试

测试位置		1	2	3	4	5	6	7	8	9
材质硬度	HV0.3	309	312	318	321	456	516	560	585	587
材质硬度	转HRC	31.0	31.0	32.0	32.0	45.5	50.0	53.0	54.5	54.5

工件淬硬层硬度高达54.5HRC。

四、结论

裂纹源于内孔尖角处，未观测到裂纹内镀铬层，推测样品在气密性测试段发生开裂；
样品基材化学成分不符合S45CM规格，实为40Cr钢类型；
40Cr钢淬透性高于S45CM，样品淬硬层深度不均匀，最深处达4.0mm，内孔处已完全淬透，为导致后续工艺开裂的主要原因；

建议改善热处理工艺，选择适合40Cr钢材类的淬火介质油。

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