摘 要:某裝載機用內齒圈成品在搬運過程中意外跌落并發(fā)生脆斷。采用宏觀觀察、斷口分析、 化學成分分析、低倍檢驗、金相檢驗等方法對其斷裂原因進行了分析。結果表明:不當的輾環(huán)工藝 導致內齒圈形變過燒,進而在其心部出現大量呈周向分布的細小孔洞和裂紋;機加工使材料心部的 缺陷暴露出來,并在隨后的滲氮處理中生成了大量的脈狀組織,極大地增加了內齒圈的脆性,最終 導致內齒圈在跌落時發(fā)生脆斷。
關鍵詞:內齒圈;脆斷;孔洞;形變過燒
中圖分類號:TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)07-0045-03
某裝載機用內齒圈材料為35CrMo鋼,制造工 序為:原材料鋸料→(1150±30)℃加熱→鍛造→ 沖孔→輾環(huán)→正火→粗車→調質(830~860 ℃油淬 +600~650 ℃回火)→精車→插齒→氮化。在其成 品搬運過程中,內齒圈意外跌落并發(fā)生斷裂。為確 定該內齒圈斷裂的原因,筆者對其進行了一系列的 理化檢驗和分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察及斷口分析
該內齒圈及其斷口的宏觀形貌如圖1所示。由 圖1可知:斷口從齒根部位沿徑向擴展,斷口平整未 見明顯起伏,呈一次性斷裂的特征。
在內齒圈斷口 處 取 樣,對 其 進 行 超 聲 清 洗 后 用 S-3400N 型掃描電鏡(SEM)觀 察,結 果 如 圖 2 所示。由圖2可知:斷口中 心 區(qū) 域 存 在 許 多 細 小 孔洞,孔洞 表 面 呈 現 類 似 自 由 結 晶 狀 形 貌,孔 洞 內還 存 在 眾 多 晶 界 裂 紋,局 部 可 見 晶 界 熔 融 痕跡。
1.2 化學成分分析
在斷裂內齒圈上取樣,采用 CS800型紅外碳硫 分析儀和iCAP6300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜 儀對其進行化學成分分析,結果如表1所示。由表 1可知:其化學成分符合 GB/T3077—2015 《合金 結構鋼》對35CrMo鋼的要求。
1.3 低倍檢驗
從斷裂內齒圈的不同方位,每間隔120°取徑向 截面進行低倍檢驗,其低倍組織形貌如圖3所示。 由圖3可知:試樣截面中部區(qū)域存在大量的孔洞類 缺陷,齒根至心部存在通道,邊緣周圍完好未見異 常。將試樣進行低倍酸蝕,發(fā)現這些孔洞擴大并形 成了一個較大的腐蝕坑,這說明內齒圈整個環(huán)形區(qū) 域截面的心部均存在細小的孔洞類缺陷。
1.4 沖擊試驗
從斷裂內齒圈上取樣,采用JBN-300B 型沖擊 試驗機對其進行沖擊試驗。結果顯示:斷裂內齒圈 的沖擊吸收能量分別為6.0,5.0,6.0J,而內齒圈沖 擊吸收能量的技術要求為不小于70J。由沖擊試驗 結果可知:該內齒圈脆性較大,極易在承受沖擊載荷 的情況下發(fā)生脆性斷裂。
1.5 金相檢驗
從 斷 裂 內 齒 圈 上 取 徑 向 截 面 試 樣,采 用Observer.Alm 型光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗, 結果如圖4所示。由圖4可知:試樣心部存在大量 孔洞類缺陷,在孔洞邊緣發(fā)現大量的脈狀氮化物組 織;正常區(qū)域的氮化層深度約為0.6mm,表面為白 亮的化合物層,表層為回火索氏體;心部為回火索氏 體+少量鐵素體組織,其晶粒度約為7~8級,為內 齒圈正常的熱處理組織,表明該內齒圈熱處理工序 正常。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知:該裝載機內齒圈的 化學成分符合 GB/T3077—2015的標準要求;齒輪表面氮化組織、心部組織均符合技術要求,表明其熱 處理工序正常。
由斷口形貌分析結果可知:該內齒圈的徑向截 面中心區(qū)域存在大量的細小孔洞類缺陷,孔洞表面 呈類似自由結晶狀形貌,而孔洞內存在眾多晶界裂 紋,局部可見晶界熔融痕跡,與過燒缺陷[1-3]的特征 相符。
由低倍檢驗結果可知:內齒圈不同方位的徑向 截面中心區(qū)域均存在大量的細小孔洞類缺陷,齒根 至心部存在通道,邊緣輪廓完好未見明顯缺陷,表明 缺陷主要集中于截面心部;此外,內齒圈整個環(huán)形區(qū) 域的徑向截面心部均存在細小孔洞類缺陷,邊緣輪 廓未見異常,齒坯周圍不存在缺陷,表明該內齒圈心 部的過燒缺陷與加熱工序無關。
由金相檢驗結果可知:在斷裂內齒圈徑向截面 心部存在大量細小孔洞類缺陷,而孔洞邊緣發(fā)現有 眾多脈狀氮化物組織,呈現河流狀,這表明氮化處理 前心部孔洞已與齒輪表面相通,并且心部的孔洞處 也因發(fā)生氮化而生成了氮化物。
材料過燒往往產生于加熱、鍛造及輾環(huán)等工序 中。加熱工序產生的過燒往往是由表及里,且主要 表現為網裂、沿晶氧化等[1-4]。在低倍檢驗中,邊緣 輪廓未見異常,整個齒坯周圍不存在缺陷,表明該內 齒圈心部的過燒缺陷與加熱工序無關。鍛造過程中 產生的過燒特征往往與加熱過程中形成的特征相 似,正火與調質工序的加熱溫度均較低,因此鍛造過 程中基本不會形成心部過燒,并且內齒圈心部的孔 洞類缺陷在氮化工序之前就已存在,此外,正常部位 的晶粒度和顯微組織也證實了內齒圈心部過燒不是 在這段時間產生的?；究梢源_定內齒圈徑向截面 心部孔洞缺陷產生于輾環(huán)工序。
金屬因塑性變形引起的鍛造溫度變化(ΔT)的 計算公式為[4]
式中:η為排熱率;K 為綜合影響系數;vε 為應變速 率;m 為變形速率影響指數,與鋼材種類和變形溫 度有關;σ0 為基準流動應力;εp 為變形體的等效應 變增量;ρ為變形體的密度;c為變形體的比熱容。
當鋼材種類確定后,變形體的密度、變形體的比 熱容、排熱率、綜合影響系數等參數為定值,影響鍛 造溫度變化(ΔT)的因素僅為應變速率、變形速率影 響指數、流動應力和等效應變增量,并與之正相關。 此外,在選定設備后應變速率、變形速率影響指數、流動應力和等效應變增量均與變形量和變形速率相 關,因此溫度變化為較大變形量及變形速率下能量 轉換的表現。
在對內齒圈原材料進行輾環(huán)工序時,由于加熱 溫度較高,接近固液相轉變點,若此時的變形量和變 形速率過大,極易使材料的局部溫度升高,當局部溫 度達到或超過液相點時,就會發(fā)生“形變過燒”。“形 變過燒”往往出現于材料的內部,其表現為孔洞類缺 陷,且局部具有疏松的特征,此外還會出現晶界熔融 的痕跡[5-7]。
內齒圈原材料產生的孔洞及疏松類缺陷在形變 載荷的作用下會發(fā)展成為細小裂紋,最終在內齒圈 周向心部形成環(huán)形的細小孔洞及裂紋,在隨后的插 齒過程中,缺陷“露頭”。當對材料進行氮化處理時, 氮化氣氛沿孔洞及裂紋進入心部,導致心部孔洞和 裂紋區(qū)域產生脈狀氮化物,極大地增加了內齒圈的 脆性,最終在跌落時內齒圈因受沖擊載荷作用而發(fā) 生脆斷。
3 結論及建議
不當的輾環(huán)工藝導致內齒圈產生形變過燒,進 而在內齒圈心部產生了大量細小的孔洞及裂紋缺 陷,機加工使心部缺陷“露頭”,并在隨后的氮化處理 中生成了大量的脈狀組織,進一步增加了材料的脆 性,降低了內齒圈的抗沖擊性,使其在跌落時稍受沖 擊,載荷便會發(fā)生脆斷。
建議加強對鍛料加熱溫度的控制,并對輾環(huán)工 藝進行優(yōu)化。
參考文獻:
[1] 張菊水.鋼的過熱與過燒[M].上海:上?？茖W技術出 版社,1984.
[2] 周恩明.42CrMo鋼制螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱 處理,2019,44(11):241-244.
[3] 王運玲,劉桂江,王學惠,等.18Cr2Ni4WA 鋼鍛件斷 裂分析[J].熱加工工藝,2018,47(23):257-258.
[4] 盛虹偉,李德江.塑性變形溫升對合金鋼鍛造的影響 [J].石油礦場機械,2000,29(6):46-47.
[5] 邱冬華,黃誠,吳君三,等.42CrMoL鋼環(huán)鍛件形變過 燒的研究[J].金屬加工(熱加工),2012(13):62-64.
[6] 金林奎,趙建國,王春亮.法蘭套管件調質處理開裂原 因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2015,51(7):504- 507.
[7] 張全新.3Cr20Ni11Mo2PB鋼氣閥斷裂原因分析[J]. 理化檢驗(物理分冊),2013,49(2):127-129.