黃佑啟，王世明

（衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421001）

冷拔工藝具有優(yōu)良的特性，如加工余量小，精度高，避免了熱軋鋼管嚴(yán)重的單邊現(xiàn)象，且產(chǎn)品表面狀況好，力學(xué)性能優(yōu)異，同時(shí)對(duì)于直徑較大且長(zhǎng)的鋼管，有利于矯直等，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、汽車和機(jī)械加工等行業(yè)［1］。隨著工程機(jī)械功率和對(duì)設(shè)備安全性要求的不斷提高，對(duì)油缸管使用壽命和安全性提出了更高的要求，冷拔+刮滾為油缸管的主要生產(chǎn)工藝。本文通過對(duì)典型鋼級(jí)45鋼制造的某液壓油缸管的開裂情況進(jìn)行分析，揭示油缸的另一種失效形式，對(duì)油缸管的生產(chǎn)和使用具有一定的參考意義。

1 基本情況

某公司使用熱軋態(tài)45鋼用冷拔+刮滾工藝生產(chǎn)的成品油缸管，其裂紋形貌如圖1所示。該成品油缸管使用11 h后，在20 MPa左右的壓力下發(fā)生貫穿性開裂，如圖1（b）～（c）所示。從圖1中可以看出，裂紋沿該油缸管縱向直線分布，并貫穿整個(gè)鋼管截面，裂紋在鋼管臺(tái)階處最寬，到近管端處逐漸變細(xì)。

油缸管的加工工序?yàn)椋害?67 mm×18.5 mm規(guī)格45鋼無縫鋼管（熱軋態(tài)）→酸洗、磷化、皂化→冷拔（規(guī)格Φ260 mm×15.5 mm）→去應(yīng)力退火（500℃保溫2 h后緩冷至300℃出爐空冷）→矯直、切管→表面車加工→鋼管內(nèi)表面刮滾（Φ260 mm×15 mm）→檢驗(yàn)→表面涂漆→裝配→包裝入庫(kù)。

圖1 成品油缸管裂紋形貌

2 分析過程

2.1 化學(xué)成分分析

從45鋼冷拔油缸管上取樣做化學(xué)成分分析，45鋼冷拔油缸管化學(xué)成分見表1。由表1可見，45鋼冷拔油缸管的化學(xué)成分滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)45鋼的要求。

表1 45鋼冷拔油缸管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2 理化性能分析

在45鋼冷拔油缸管上取拉伸試樣（Φ8 mm圓棒）、沖擊試樣和硬度試樣，并在室溫進(jìn)行試驗(yàn)。45鋼冷拔油缸管力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看出，該45鋼冷拔油缸管3個(gè)試樣的沖擊值分別為7.5，6.7，7.0 J，平均值為7.1 J。由此可見，母材的韌性較差，一旦產(chǎn)生裂紋源，擴(kuò)展速度就會(huì)很快。

表2 45鋼冷拔油缸管力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 斷口宏觀分析

45鋼冷拔油缸管斷口宏觀形貌如圖2所示，從圖2中可以觀察到：

（1）油缸管斷口平整，呈明顯的脆性斷口特性，裂紋兩側(cè)幾乎觀察不到剪切唇，斷口大部分區(qū)域因氧化而呈現(xiàn)暗色，但有小部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯的金屬光澤；

（2）斷口可見明顯人字紋，因此根據(jù)人字紋指尖方面可以找出裂紋源［2］，圖2中標(biāo)志出的收斂處就是裂紋源，并且鋼管臺(tái)階處有多處開裂而遺留下的片狀金屬塊［3］。

圖2 45鋼冷拔油缸管斷口宏觀形貌

2.4 基體組織和晶粒度檢驗(yàn)

從45鋼冷拔油缸管基體上取樣，進(jìn)行金相分析，其組織如圖3所示，其金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)45鋼冷拔油缸管進(jìn)行晶粒度檢驗(yàn)，其晶粒均勻，無晶粒粗大和不均勻的現(xiàn)象，晶粒度等級(jí)為5級(jí)。

圖3 45鋼冷拔油缸管基體金相組織

2.5 顯微組織觀察

在圖1（a）黑框所示位置取樣，并進(jìn)行微觀分析，可以發(fā)現(xiàn)大裂紋附近的壁厚中間處有許多細(xì)小裂紋，結(jié)果如下：

（1）裂紋兩側(cè)無脫碳，裂紋垂直鋼管表面開裂，45鋼冷拔油缸管缺陷試樣金相組織如圖4所示；

（2）大裂紋附近的壁厚中間處有許多細(xì)小裂紋，小裂紋無脫碳，且從其放大照片可以看出，裂紋是穿晶開裂，45鋼冷拔油缸管缺陷試樣小裂紋金相組織如圖5所示。

圖4 45鋼冷拔油缸管缺陷試樣金相組織

圖5 45鋼冷拔油缸管缺陷試樣小裂紋金相組織

2.6 掃描電鏡觀察

對(duì)45鋼冷拔油缸管圖1（a）所示黑框位置進(jìn)行斷口掃描電鏡分析，缺陷試樣斷口形貌及能譜分析如圖6～7所示，從圖中可以觀察到：

（1）靠近外壁處的斷口由于暴露時(shí)間較長(zhǎng)覆蓋了較多的氧化物，但從覆蓋的氧化物下可觀察到清晰的河流狀解理斷口；

（2）靠近內(nèi)壁處的斷口基本無氧化物覆蓋，可觀察到絕大部分的扇形或河流狀的解理斷口，在斷口處也可觀察到些許顆粒狀的氧化鈣夾雜，如圖7所示。

圖6 45鋼冷拔油缸管缺陷試樣斷口形貌

圖7 45鋼冷拔油缸管試樣能譜分析

45鋼冷拔油缸管試樣002位置能譜分析結(jié)果見表3。

表3 45鋼冷拔油缸管試樣002位置能譜分析結(jié)果 %

3 開裂原因分析

通過對(duì)失效油缸的基體進(jìn)行成分和力學(xué)性能分析，顯示各項(xiàng)指標(biāo)均符合使用要求，基體組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，晶粒度5級(jí)，未見晶粒粗大和不均勻等異常現(xiàn)象。宏觀和微觀分析結(jié)果表明，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)任何管材原始缺陷、夾雜物超標(biāo)和氧化脫碳現(xiàn)象。性能檢測(cè)顯示該油缸管室溫沖擊功非常低，抵抗開裂的能力差，裂紋會(huì)沿著起裂點(diǎn)快速擴(kuò)展，這種說法通過在掃描電鏡分析中出現(xiàn)明顯的解理狀斷口得到驗(yàn)證。

去應(yīng)力退火的目的是為了去除工件在塑性變形、切削加工或焊接等造成的內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力，由于只是為了去除應(yīng)力，故不必加熱至發(fā)生相變的溫度，只需加熱到Ac1以下100～200℃即可。一般碳鋼、低合金鋼選擇的去應(yīng)力退火溫度為550～650℃，而且加熱溫度越高，所需要的時(shí)間越短［4-11］，實(shí)際采用的工藝為：500℃保溫2 h后緩冷至300℃出爐空冷，退火溫度存在偏低的情況，會(huì)導(dǎo)致冷拔工藝過程中塑性變形造成的內(nèi)應(yīng)力及工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力不能得到有效釋放。另外，車削加工前，冷拔鋼管的殘余應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，工件經(jīng)過內(nèi)外表面加工后，該平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致工件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布不均［6］。

微觀分析顯示裂紋在油缸臺(tái)階處最寬，越往兩端裂紋越細(xì)，并且從斷口處的形貌可看出，人字紋收斂于壁厚突然變化的內(nèi)壁處。過低的去應(yīng)力退火溫度導(dǎo)致冷拔過程中的內(nèi)應(yīng)力不能得到有效釋放，并在壁厚截面變化處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)油缸在后續(xù)反復(fù)加載和卸載時(shí)產(chǎn)生的沖擊超過材料允許的強(qiáng)度后，裂紋首先會(huì)從應(yīng)力集中點(diǎn)開始萌生，并沿著鋼管最薄弱部分?jǐn)U展，而不良的金相組織（網(wǎng)狀鐵素體）又加速了裂紋的擴(kuò)展傾向。

4 結(jié) 論

45鋼冷拔油缸管開裂的原因?yàn)椴患训臒崽幚矸椒ǎǔ善啡?yīng)力退火）、不良的金相組織（網(wǎng)狀鐵素體）等綜合因素使油缸管塑性和韌性下降、脆性增加，導(dǎo)致鋼管耐壓性能下降，當(dāng)油缸在后續(xù)反復(fù)加載和卸載時(shí)產(chǎn)生的沖擊超過材料允許的強(qiáng)度后，裂紋首先會(huì)從應(yīng)力集中點(diǎn)開始萌生，并沿著鋼管最薄弱部分?jǐn)U展，最終導(dǎo)致管材開裂。