摘 要:某型號鋁合金壓鑄機(jī)上42CrMoA 調(diào)質(zhì)鋼拉桿在使用2a后發(fā)生斷裂。對其加工質(zhì)量、 化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織和斷口形貌等進(jìn)行檢驗,分析了該拉桿斷裂的原因。結(jié)果表明:脫模 劑滲漏引發(fā)拉桿螺紋表面腐蝕,導(dǎo)致其過早地發(fā)生了腐蝕疲勞斷裂。 

關(guān)鍵詞:壓鑄機(jī);42CrMoA 鋼;拉桿;腐蝕;疲勞斷裂 

中圖分類號:TG142                                         文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                   文章編號:1001-4012(2022)07-0041-04

拉桿是壓鑄機(jī)的重要承載零件,其易受交變應(yīng) 力作用而發(fā)生早期斷裂。某鋁合金壓鑄機(jī)拉桿的材 料為42CrMoA 鋼,采用調(diào)質(zhì)熱處理,使用2a后其 頭部螺紋處發(fā)生斷裂,部分拉桿斷于其配套的懸置 螺母中,拉桿斷裂位置及局部結(jié)構(gòu)如圖1所示。筆 者通過 一 系 列 的 理 化 檢 驗 分 析了該拉桿的斷裂原因。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

該型壓鑄機(jī)的水溶性脫模劑采用了自動噴淋的 方式,脫模劑管道分布在拉桿螺紋段上方且存在滲 漏現(xiàn)象(見圖 2)。斷裂拉桿的宏觀形貌如圖 3 所 示。由圖3可知:拉桿斷口氧化嚴(yán)重,疲勞斷裂特征明顯,其由疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個部分組成[1],存在多個疲勞源,螺紋表面存在深淺不一的 孔洞。

1.2 螺紋加工質(zhì)量測試

取拉桿完整螺紋段,清洗后觀察遠(yuǎn)離斷口側(cè)的螺紋底部加工質(zhì)量,并采用輪廓儀測量螺紋尺寸,結(jié) 果顯示螺紋表面粗糙度小,且加工尺寸符合技術(shù)要 求(見圖4)。 

1.3 化學(xué)成分分析 

在拉桿疲勞源附近取樣,采用 LABM12型直讀 光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表 1可 知:拉 桿 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB/T3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMoA 鋼的技術(shù)要求。

1.4 金相檢驗 

在拉桿疲勞源附近取樣,經(jīng)打磨、拋光后,采用 GX71型光學(xué)顯微鏡觀察拉桿中縱向夾雜物,檢驗 結(jié)果如圖5a)所示。根據(jù) GB/T10561—2005《鋼中 非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗方 法》,判定斷裂拉桿中 A 類(硫化物類)夾雜物為0.5 級,無其他夾雜物。 

在拉 桿 斷 口 附 近 橫 截 面 處 取 樣,根 據(jù) GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗方法》進(jìn) 行熱酸蝕試驗,觀察其低倍組織形貌[見圖5b)],根 據(jù) GB/T1979—2001 《結(jié) 構(gòu) 鋼 低 倍 組 織 缺 陷 評 級 圖》對其評級,結(jié)果如表2所示。

在拉桿主斷面附近螺紋處發(fā)現(xiàn)多個螺紋均存在 萌生于螺紋底部腐蝕坑的微裂紋,且每個螺紋均存 在多個腐蝕坑。在斷口疲勞源附近取樣,經(jīng)打磨、拋 光后,采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕后, 用 GX71型倒置式顯微鏡觀察顯微組織,發(fā)現(xiàn)拉桿 疲勞源處組織為回火索氏體+粒狀貝氏體+微量鐵 素體(見圖6)。

1.5 力學(xué)性能測試 

在拉桿螺紋段距外圓面R/3(25mm)處縱向取 拉伸和 V 型沖擊試樣,根據(jù) GB/T228.1—2010 《金 屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》和 GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,分別 采用 MTSC45.305型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)和 ZBC2302-D型擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)進(jìn)行拉伸和沖擊試 驗,結(jié)果如表3所示。由表3可知,拉桿的力學(xué)性能 符合企標(biāo) QHTJ102-2018《金屬材料通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 第一部分》中對42CrMoA鋼的要求。

1.6 斷口分析 

將拉桿斷口清洗并吹干后,置于JSM-6510A 型掃描電鏡(SEM)下觀察,可以看到拉桿疲勞裂紋萌 生于螺紋底部連續(xù)腐蝕坑位置[見圖7a)],圖7b)為 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶微觀形貌。結(jié)合宏觀特 征,判斷該拉桿斷裂模式為裂紋萌生于螺紋底部腐 蝕坑的多源疲勞斷裂。對腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行 能譜(EDS)分析,發(fā)現(xiàn)其主要成分為含有合金元素 的氧化物(見圖8)。

2 綜合分析 

根據(jù)上述理化檢驗結(jié)果可知:拉桿的螺紋尺寸、 顯微組織及力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。宏觀觀 察發(fā)現(xiàn)拉桿斷口的疲勞裂紋源位于拉桿螺紋底部, 呈多源疲勞特征,且螺紋底部布滿大小、深淺不一的 腐蝕坑。拉桿因承受應(yīng)力過大,或表面存在缺陷會 產(chǎn)生應(yīng)力集中,其疲勞斷口呈低周疲勞斷裂特征,存 在多個疲勞源[2-3],多源疲勞相互交接后在疲勞源區(qū) 形成疲勞臺階[4-5]。拉桿螺紋本身由于尺寸因素會 產(chǎn) 生較大的應(yīng)力集中,拉桿底部腐蝕缺陷加劇了應(yīng)力集中的程度和范圍,因此在服役過程中產(chǎn)生多源 疲勞,疲 勞 臺 階 幾 乎 占 據(jù) 了 斷 口 的 1/2外 圓 弧。 EDS分析結(jié)果顯示疲勞源處腐蝕坑表面的腐蝕產(chǎn) 物主要為含有合金元素的氧化物,這與拉桿中所用 的水溶性脫模劑成分相吻合。該型拉桿所使用的是 水性脫模劑,以1∶200(體積比)兌水后作為噴淋溶 液,因其配方中缺少防銹緩蝕劑,故脫模劑無法在拉 桿表面形成保護(hù)膜,又因脫模劑的滲漏,使得拉桿長 期暴露于潮濕的環(huán)境中,表面易銹蝕。鐵銹是一種 疏松的沉積物,并不緊附于拉桿表面,不能阻止水、 腐蝕氣體等的通過,反而更能吸附水、腐蝕氣體,使 得電化學(xué)腐蝕不斷地進(jìn)行。綜合以上原因,拉桿在 交變應(yīng)力作用下,在潮濕、溫度較高(30 ℃)的環(huán)境 下服役,拉桿螺紋底部出現(xiàn)了大量大小不一的腐蝕 坑。持續(xù)高溫、潮濕的環(huán)境導(dǎo)致腐蝕坑數(shù)量不斷增 加,尺寸不斷擴(kuò)大,進(jìn)而使拉桿疲勞裂紋不斷萌生并擴(kuò)展,最終拉桿發(fā)生了早期疲勞斷裂。

3 結(jié)論及建議 

該壓鑄機(jī)拉桿在高溫、潮濕環(huán)境中發(fā)生了早期 腐蝕疲勞斷裂。脫模劑滲漏導(dǎo)致拉桿長期處于高 溫、潮濕環(huán)境中并形成腐蝕坑,在循環(huán)應(yīng)力的作用下 腐蝕坑底部萌生裂紋并擴(kuò)展,最終導(dǎo)致拉桿發(fā)生早 期疲勞斷裂。 

建議對拉 桿 螺 母 位 置 做 好 防 護(hù) 措 施,或 做 好 脫模劑自動 噴 淋 裝 置 的 防 滲 漏 工 作,防 止 拉 桿 及 螺母因腐蝕而引發(fā)早期疲勞斷裂;此外,可對拉桿 螺紋進(jìn)行噴 丸 或 滾 壓 等 強(qiáng) 化 處 理,提 高 其 抗 疲 勞 斷裂能力。 

參考文獻(xiàn): 

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<文章來源   > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:41-44)>