（洛陽船舶材料研究所,洛陽 ４７１０２３)
摘 要:鉸鏈梁在使用過程中鉸耳發生斷裂,采用宏觀分析、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口掃描電鏡分析等方法,對鉸耳斷裂原因進行了分析.結果表明:鉸鏈梁中的殘余鋁含量和氮含量較高,夏季鑄造時冷速過慢,使得一次奧氏體晶界析出 AlN 夾雜物造成晶界脆化,同時晶界上大量的鑄態 MnS以及 Al２O３ 類夾雜物也加劇了晶界的脆化,導致鉸鏈梁鉸耳在使用過程中發生沿晶脆性斷裂.
關鍵詞:鉸鏈梁;貝殼狀斷口;AlN 夾雜物;殘余鋁量;沿晶脆性斷裂
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０５Ｇ０３５５Ｇ０４
我國是人造金剛石第一生產大國[１],鉸鏈式六面頂液壓機是人造金剛石的生產設備,鉸鏈梁是六面頂中最重要的部件[２].某廠的鉸鏈梁在使用過程中鉸耳發生斷裂,鉸耳是鉸鏈梁的關鍵部位,承受較大作用力.統計發現半年時間內共有１０件鉸鏈梁的鉸耳發生了斷裂,而且斷裂特征相似,因此急需找到鉸鏈 梁 鉸 耳 斷 裂 的 原 因. 該 批 鉸 鏈 梁 材 料 為ZG３５Cr１Mo鑄 鋼,生 產 工 藝 為:中 頻 爐 鑄 造 → 正火→回火→機加工→調質處理.為了查明鉸耳斷裂的原因,筆者采用宏觀分析、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口掃描電鏡分析等方法對斷裂鉸耳進行了檢驗和分析,以避免類似事故的再次發生.
１ 理化檢驗
１．１ 斷口宏觀觀察
鉸鏈梁鉸耳斷口低倍形貌如圖１所示,可見斷口齊平,無塑性變形特征,呈貝殼狀斷口特征,斷口面上晶粒形貌明顯,晶粒直徑大約為１mm.
１．２ 化學成分分析
在鉸鏈梁鉸耳處取樣進行化學成分分析,結果見表１,可見其化學成分滿足JB/T６４０２－２００６«大型低合金鋼鑄件»對ZG３５Cr１Mo鑄鋼成分的要求.
１．３ 力學性能測試
在鉸鏈梁鉸耳處取樣進行力學性能測試,結果見表２,可 見 鉸 鏈 梁 抗 拉 強 度 和 上 屈 服 強 度 滿 足JB/T６４０２－２００６要求,但塑性和韌性偏低,不滿足標準要求.
１．４ 金相檢驗
１．４．１ 低倍組織形貌分析
取與斷口面平行的試樣面,經磨、拋后酸洗,進行試樣表面低倍組織形貌觀察,可見試樣表面上分布著網狀裂紋缺陷及疏松缺陷,如圖２a)所示,放大后網狀裂紋缺陷形貌如圖２b)所示,疏松缺陷形貌如圖２c)所示,部分網狀裂紋缺陷和疏松缺陷相連接,如圖２d)所示.
１．４．２ 顯微組織分析
采用光學金相顯微鏡對拋光態試樣進行夾雜物檢測,夾雜物形貌見圖３a),主要為大顆粒狀和長條狀,聚集分布,具有明顯的鑄態特征.能譜分析顯示夾雜物主要為 MnS和 MnS與 Al２O３ 的復合型夾雜物.依據 GB/T８４９３－１９８７«一般工程用鑄造碳鋼金相»對夾雜物級別進行評定,結果為２級.
侵蝕態下對試樣顯微組織進行觀察,主要為回火索氏體＋少量鐵素體,如圖３b)所示.晶粒度級別為１１．０級,晶粒平均直徑約７．９μm,晶粒較細,如圖３c)所示.
１．４．３ 網狀裂紋缺陷分析
在金相拋光態和侵蝕態的觀察中,均未觀察到與網狀裂紋缺陷相關的特征,考慮到圖２d)中疏松缺陷與網狀裂紋缺陷是相連的,所以從疏松缺陷周圍查找網狀裂紋缺陷的實質.
在疏松缺陷周圍觀察到非常細微且斷續分布的網絡狀線條,如圖４a)所示,對應的拋光態形貌如圖４b)所示,網絡狀線條呈灰色斷續細線特征,某些部位由于線條太細,在拋光態下不易分辨.觀察整個試樣,在較高倍率下找到一處比較容易分辨的網絡狀線條,如圖４c)所示,能譜(EDS)顯示細線實質是以 AlN 為主的夾雜物,能譜分析結果如圖４d)所示.
１．５ 斷口掃描電鏡及能譜分析
鉸鏈梁鉸耳斷口形貌如圖５a)所示,可見邊緣為柱狀晶形貌,中間為等軸晶形貌,斷口呈鑄態沿晶特征,屬于典型的貝殼狀斷口.斷口上分布著較多夾雜物,如圖５b)所示,能譜分析顯示夾雜物主要為MnS以及 MnS與 Al２O３ 的復合型夾雜物,能譜分析結果如圖５c),d)所示.從夾雜物尺寸、形貌和能譜分析結果分析,這些夾雜物與圖３a)中的夾雜物相對應,而形成網狀裂紋缺陷的 AlN 夾雜物很細薄,在斷口上不易觀察到.
２ 分析與討論
斷裂鉸鏈梁化學成分滿足標準要求.力學性能中強度滿足標準要求,塑性、韌性偏低,不滿足標準要求.肉眼可觀察到試樣表面上分布著網狀裂紋缺陷及疏松缺陷,網狀裂紋缺陷的網絡直徑約１mm.原始斷口、拉伸斷口、沖擊斷口形貌相似,呈鑄態沿晶斷裂特征,晶粒直徑大約為１mm,該沿晶晶粒大小與網狀裂紋勾勒出的網絡大小相同,因此兩者是一致的。
分析得知,網狀裂紋實質是以 AlN 為主的夾雜物沿晶分布引起的沿晶脆性開裂導致的,另外沿晶斷口上分布的較多鑄態的 MnS,Al２O３ 夾雜物以及疏松缺陷也割裂了基體的連續性,增加了晶界脆性,加劇了沿晶開裂的傾向.鉸鏈梁調質處理后的晶粒平均直徑約７．９μm,而斷口的沿晶晶粒大小約１ mm,兩者相差１００倍以上,顯然這兩種晶粒是不一致的.鑄鋼在鑄造后形成粗大鑄態一次奧氏體晶粒,為了細化晶粒和優化組織,會在鑄造后進行熱處理,經過熱處理后,原始奧氏體晶粒消失,得到的是熱處理后新形成的細小晶粒.因此,鉸鏈梁的 AlN 夾雜物分布在粗大鑄態一次奧氏體晶界上,在奧氏體晶粒凝固時形成,是在鑄造過程中形成的,后期熱處理無法消除。
AlN 在一次奧氏體晶界上析出,在二維空間是斷續細線,在三維空間是晶界界面上的 AlN 薄膜層,這種薄膜狀氮化鋁與其他彌散分布的夾雜物不同,其形態是厚度為０．０５μm,其他尺寸不大于５μm的沿晶薄膜.它會減弱晶間結合力,使晶界脆化,增加晶間產生裂紋的傾向,降低材料的塑、韌性.
有研究表明當鋼中殘余鋁含量為 ０．１０８％(質量分 數,下 同)、氮 含 量 為 ０．０１５％ 時,幾 乎 形 成１００％(面積分數,下同)的貝殼狀斷口;當殘余鋁含量在０．０５％、氮含量為０．０１５％時,貝殼狀斷口只占斷口 總 面 積 的 ５０％ 左 右;而 當 殘 余 鋁 含 量 為０．０３７％以下、氮含量為０．０１２％以下時,斷口則表現為韌性,“貝殼”消失.可見由 AlN 引起的貝殼狀斷口,鋼中鋁、氮含量必須滿足某一臨界值,超過該值時,鋼中的 AlN 含量越高,形成貝殼狀斷口越嚴重;
低于該值,AlN 的影響就減弱以至消失[３].該鉸鏈梁的殘余鋁含量為０．１４５％,氮含量為０．０１６％,兩種元素含量均超過了形成１００％貝殼狀斷口的臨界條件,鉸鏈梁斷口也的確形成了１００％貝殼狀斷口.鋼中氮含量與鋼的冶煉方法有著必然的聯系,同 一低合金鋼液采用中頻爐冶煉,其氮含量高于采余奧氏體將在高應力的作用下產生局部變形,導致
殘余奧氏體與共晶碳化物的界面上(或非金屬夾雜物的尖端)萌生裂紋,這些微小裂紋逐步擴展并相互銜接,最終形成了宏觀可見的周向裂紋,在偏心載荷的作用下進一步向內擴展,直至發生彎曲疲勞斷裂.
３ 結論及建議
該擠壓桿桿身與桿座之間的過渡圓弧誤加工成退刀槽而形成應力集中,且擠壓桿回火不充分,有較高的殘余內應力,顯微組織不穩定,偏析組織產生附加組織應力及各向異性,使得退刀槽棱邊萌生裂紋,在安裝引起的偏心載荷作用下,導致擠壓桿在服役初期產生彎曲疲勞斷裂.建議采用高溫擴散退火提高擠壓桿化學成分及顯微組織的均勻性;坯料應進行６面鍛造,鍛造比要大于５,使枝晶偏析組織細化為纖維狀組織,改善碳化物的不均勻分布;嚴格按加工圖紙進行機加工,變截面應有光滑的圓弧過渡,建議將表面粗糙度減小至Ra≤３．２μm;延長回火時間,采用５８０~６００ ℃×１２h３次回火,確保擠壓桿的硬度達到設計要求;安裝時將擠壓桿對準擠壓筒的中心,使擠壓桿與擠壓筒內孔之間的間隙均勻一致,以提高擠壓桿的服役壽命.