低合金钢活塞杆线性缺陷原因分析

杜 奇 徐娟萍 武 明

(1.山东科技大学机械电子工程学院，山东266590；2.北京科技大学新材料技术研究院，北京100083；3.壹胜百模具(北京)有限公司，北京100176)

活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸的运动执行部件中，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。活塞杆用钢在冶炼、锻造及热处理过程中，有时会出现夹杂物、白点、微裂纹等缺陷，影响产品使用性能甚至导致产品失效报废[1-3]。

活塞杆采用P420QH+QT钢种，冶炼采用电弧炉+LF+VD的方式，空气中模铸钢锭，采用水压机锻造，锻比大于5，锻后热处理采用正火+回火工艺，正火温度为910℃保温12 h空冷到室温后升至650℃保温21 h回火；之后性能热处理为890℃保温12 h淬火，640℃保温30 h回火。在进行理化性能测试时发现其冲击韧性分别为6 J、7 J、7 J、7 J、7 J、8 J，远远小于要求值27 J。对活塞杆进行超声检测时发现比较密集的线性缺陷。为查找韧性不足以及密集的线性缺陷两个问题产生的原因，进行了金相检验和断口分析。

1 试验过程

从超声检测存在线性缺陷的位置取15 mm×30 mm×40 mm的试块，倒角后用水砂纸进行打磨，然后使用W5的金刚石研磨膏对试样进行机械抛光至镜面，随后显微镜下观察试样的缺陷形貌。采用直接加热法和分段加热法使用德国G4 PHOENIX DH布鲁克扩散氢分析仪对来料试样进行氢浓度测试。用4%的硝酸酒精进行浸蚀，观察其组织和晶粒度。通过扫描电子显微镜(SEM)观察缺陷和冲击试样断口的形貌，并进行能谱分析，确定缺陷的成分，然后通过酸溶法验证缺陷的化学成分。

2 结果与讨论

首先对试样用4%的硝酸酒精进行腐蚀，观察到组织为片状珠光体+铁素体+极少量氮化钛，未见其他异常组织，如图1所示。根据GB/T 6394—2002中的截点法测得晶粒度等级为7.0级。冲击试验结果显示，该材料20℃的冲击功为7 J，远低于标准值27 J。在组织没有异常的情况下，有两种可能性导致韧性下降，一是夹杂物，二是氢脆。下面将分别对两种可能性进行分析。

将试样沿观察面磨掉将近0.5 mm时，在金相显微镜下观察到缺陷，该缺陷大小约为200 m×10 m，缺陷形貌为长条状，如图2所示。对试样连续研磨、观察，随着研磨的进行，该缺陷逐渐被磨掉，缺陷形貌越来越不连贯，这一结果与超声检测显示的尺寸较大、密集型分布的缺陷特征完全符合。缺陷即将要消失时试样被磨掉大约15 μm，缺陷的平面尺寸约为200 m×10 m，在厚度方向上最少为15 m，因此判断缺陷为长条型缺陷。根据缺陷形貌，可判断缺陷为夹杂物而不是孔洞。

图1 材料的金相组织Figure1 Metallurgical structure of material

图2 试样的缺陷示意图Figure 2 Defect sketch of sample

在扫描电子显微镜(SEM)下对缺陷进行了进一步观察，图3是该缺陷的SEM形貌。可见，原本在金相显微镜下显示为密实组织的缺陷，在SEM下显示为疏松的夹杂物集合体，中间还夹杂着一些小的空洞。

在对缺陷位置进行EDS分析时，能谱曲线如图4所示。从能谱曲线中发现缺陷部位的Al元素质量分数达到27.26%，Ca元素质量分数为30.24%，O元素质量分数为36.42%，这3种元素在缺陷处富集，另外还有少量的Mg元素，而Fe元素质量分数仅为2.16%，相比于正常基体低了很多。正常基体处没有检测到Ca、Al和Mg元素，O元素含量也非常低。此时可以确定夹杂物种类为氧化类。缺陷部位O、Al、Ca含量异常高，表明缺陷为钙、铝氧化物的复合体(如Al2O3、CaO等)，微观形貌显示为疏松的夹杂物复合体。如此大而多的密集型缺陷，一方面可能是由钢锭切头去尾量不足，导致水口和冒口中的夹杂物进入到产品本体中造成的，另一方面可能是钢水镇定时间不足或搅拌气流过小，终脱氧形成的氧化物未充分上浮到渣中，再者可能VD过程不充分，导致钢水中O含量较高，形成部分夹杂物[4-7]。

图3 缺陷的SEM形貌Figure 3 SEM morphology of defect

图4 缺陷处元素的EDS分析Figure 4 EDS analysis of elements at defect

为了从另一角度证明缺陷试样中存在夹杂物，我们将试样进行切割，切成将缺陷包含在内的17 mm×11 mm×5 mm小试样，称重6.3 g，去油、磨光、干燥后浸泡于体积分数为50%的430 ml盐酸溶液中，腐蚀一段时间之后试样如图5所示，缺陷处形成贯穿孔洞。腐蚀之后，试样尺寸为15 mm×9 mm×3 mm，称重3.3 g。孔洞大小约为3.5 mm×3 mm×1.3 mm。由此也可以证明试样A中存在缺陷，且缺陷处优先腐蚀。为了进一步明确该缺陷是什么成分，将腐蚀之后的溶液进行ICP检测和原子吸收光谱检测，结果表1所示。

图5 包含缺陷的小试样浸泡后腐蚀穿孔Figure 5 Corrosion and perforation of sample with defect after soaking

含量mg/LAlCaMnMg3.9≤0.1100≤0.05

(a)k1断口(b)s1断口

图6 冲击试样断口SEM形貌Figure 6 SEM morphology at fracture of impact sample

表3 分段升温测定的试样中的H浓度(×10-6)Table 3 Hydrogen concentration of sample tested by temperature-gradient method (×10-6)

腐蚀之后的溶液中Al元素含量为3.9 mg/L，换算得到6.3 g试样中Al元素含量为3.5 mg，减去钢基体中存在的1.6 mg Al元素，将近1.9 mg Al元素来自夹杂物中，换算得到6.3 g试样中存在3.6 mg氧化铝夹杂物，取氧化铝密度为3.9 g/cm3，氧化铝夹杂物的体积约为0.93 mm3。

另外，我们还对两个冲击试样k1和s1的断口进行了SEM观察，如图6所示。可以看出，断口呈典型的脆性准解理特征，有局部的河流状花样。局部放大发现，某些准解理开裂的中心处有很小的圆形颗粒存在。从形貌上推测，应是氧化物夹杂，这可能是该试样冲击功低的原因之一。

为了验证钢是否是由于氢白点降低了韧性，我们分别用直接升温法和分段升温法测试了钢中的H含量，结果如表2和表3所示[8]。可见，直接升温法测得的H含量约为0.28×10-6。分段升温法测得的可扩散氢含量约为0.02×10-6，陷阱氢含量约为0.14×10-6，则总氢浓度为0.16×10-6。分段升温法测得的氢浓度略低的原因是由于在分段升温和降温过程中氢有逸出，而这部分氢未被收集记录，造成氢浓度的损失。总之，试样中的H含量大约为0.28×10-6。

前期进行理化性能测试时，该材料的抗拉强度约为720～770 MPa，冲击功为7 J，不符合其标准值 27 J的要求。通常，当材料的强度大于800 MPa甚至1000 MPa时，强度越高，氢脆敏感性就越大。而活塞杆材料的强度在800 MPa以下，H含量又仅为0.28×10-6，所以推测该材料的氢脆敏感性不会很大。冲击功低的原因主要是材料中的夹杂物缺陷所导致的[9]。在后续的生产中，采用VD+VC双真空的方式进行冶炼浇注，进一步降低了钢水中的O含量，同时增加了水口和冒口的切除率，冲击韧性稳定在34 J以上，满足了客户技术规格书的要求。

3 结论

(1)通过显微金相分析得到证实，活塞杆材料本身存在尺寸较大、密集型分布的夹杂物，缺陷的尺寸从十几微米到数百微米不等。未见明显异常组织，晶粒大小比较均匀，晶粒度等级为7.0级。

(2)缺陷部位SEM微观形貌显示为疏松的夹杂物复合体。进行EDS分析时得出：缺陷部位O、Al、Ca含量异常高，确定缺陷为Al2O3、CaO，表明氧化类夹杂物是活塞杆缺陷的主要组成部分。

(3)冲击断口呈典型的脆性准解理特征，且有夹杂物存在。

(4)试样中的氢浓度为0.28×10-6，可排除氢脆的可能性。

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