□ 王立玲 □ 張冰洋 □ 宗長(zhǎng)江

中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 河北張家口 075000

1　裂紋情況

如圖1所示，某型號(hào)鏈輪軸加工后發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋深且長(zhǎng)，縱向基本貫通整根軸。鏈輪軸主要加工工藝路線為：原材料→鍛造→正火→高溫回火→表面切削加工→鍍銅→滲碳淬火（840℃）→回火（230℃）。經(jīng)了解，裂紋是在回火后發(fā)現(xiàn)的，同一批產(chǎn)品中約有80%出現(xiàn)類似現(xiàn)象。筆者對(duì)鏈輪軸裂紋的形成原因進(jìn)行分析，以防止類似現(xiàn)象再次出現(xiàn)。

▲圖1 鏈輪軸裂紋

2　理化檢驗(yàn)

在鏈輪軸開(kāi)裂處制取化學(xué)分析試樣，使用真空直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，并制取金相試樣，使用金相顯微鏡進(jìn)行金相分析。

化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)鏈輪軸材料成分符合要求。

金相組織檢驗(yàn)面與斷口表面垂直，顯微組織為回火馬氏體，如圖2所示。

▲圖2 金相組織

3　斷口分析

在裂紋近似最寬的部位制取斷口試樣，超聲波清洗后置于掃描電鏡中進(jìn)行斷口分析，如圖3所示。

斷口表面無(wú)金屬光澤，未見(jiàn)明顯塑性變形，整體平齊，結(jié)構(gòu)粗糙，呈脆性斷裂特征。仔細(xì)觀察斷口表面，可見(jiàn)清晰的放射狀條紋，條紋收斂方向大致指向斷口表面右下角長(zhǎng)方形區(qū)域。將該區(qū)域放大，該區(qū)域?yàn)榱粱疑?，疑似為裂紋源區(qū)，如圖4所示。

將斷口試樣在掃描電鏡下觀察，在疑似裂紋源區(qū)發(fā)現(xiàn)有大量鴨嘴形特殊形貌特征，且成群分布、大小不一，如圖5中箭頭所示。放射狀條紋區(qū)域則沒(méi)有這種現(xiàn)象。

將鴨嘴形特殊形貌進(jìn)一步放大，如圖6所示，可見(jiàn)整體基本呈橢圓形，斷裂面較平滑，與基體有明顯界面。鴨嘴形特殊形貌中間有一條白色的撕裂棱條帶，條帶兩側(cè)的斷裂面不在一個(gè)平面上。

表1　化學(xué)成分分析

選取一個(gè)鴨嘴形特殊形貌，放大中間撕裂棱白色條帶，可見(jiàn)整體沿條帶方向分布大量夾雜物，且部分形成裂紋，如圖7所示。

經(jīng)仔細(xì)觀察，鴨嘴形特殊形貌微觀多為解理或準(zhǔn)解理，并帶有二次裂紋，還有部分沿晶面斷裂，具有明顯的氫脆裂紋特征，如圖8所示。

4　分析討論

由上述分析可知，鏈輪軸的化學(xué)成分、金相組織均滿足要求。

斷口附近無(wú)塑性變形，呈脆性斷裂特征。裂紋源區(qū)聚集有大量鴨嘴形特殊形貌，并分布大量夾雜物，與基體形成鮮明輪廓。分析結(jié)果表明，該斷口具有典型的氫脆斷裂特征［1］。

▲圖3 斷口分析

▲圖4 疑似裂紋源區(qū)

▲圖5 鴨嘴形特殊形貌

分析產(chǎn)品的制造工藝，發(fā)現(xiàn)其中有鍍銅工藝，鍍銅前需經(jīng)酸洗去除氧化皮。鍍銅和過(guò)酸洗都為充氫過(guò)程，零件在鍍銅或過(guò)酸洗后會(huì)進(jìn)入大量的氫［2］。氫在鋼中可造成嚴(yán)重缺陷，如產(chǎn)生白點(diǎn)、點(diǎn)狀偏析、氫脆、表面鼓包、焊縫熱影響區(qū)內(nèi)裂紋等［3］。

▲圖6 鴨嘴形特殊形貌放大

▲圖7 撕裂棱白色條帶放大

▲圖8 鴨嘴形特殊形貌微觀影像

酸洗是利用酸與鐵氧化物的化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到去除氧化皮效果的一種表面處理工藝［4］，也是零件電鍍過(guò)程中產(chǎn)生滲氫的主要環(huán)節(jié)［5］。在酸洗過(guò)程中，酸液與基體金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣，這些氫氣一部分逸出，另一部分則以原子狀態(tài)向金屬內(nèi)部擴(kuò)散［6］。酸洗液成分、酸洗溫度、酸洗時(shí)間，以及合金成分等都能影響氫含量［7］，如果酸洗工藝不合理或操作不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生氫脆缺陷。氫脆是一種由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的材料損傷，可以使金屬材料在低于材料屈服強(qiáng)度的靜應(yīng)力作用下發(fā)生延遲斷裂［8-9］。

非金屬夾雜物分布在鋼中破壞了金屬基體的連續(xù)性，使材料的塑性和韌性降低［10］。同時(shí)，氫原子易于與夾雜物等相結(jié)合，可以使氫富集在夾雜物和基體的界面上。如果存在應(yīng)力，在夾雜物和基體的界面處會(huì)形成應(yīng)力集中［11］，從而一方面使氫在夾雜物處產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)氫富集，另一方面使夾雜物和基體的界面處先開(kāi)裂，形成氫脆，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂。

經(jīng)了解，該批產(chǎn)品鍍銅前的酸洗工藝極其不穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了以上分析，即氫脆致使鏈輪軸產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂。

5　結(jié)論與建議

鏈輪軸原材料中存在大量的非金屬夾雜物，鍍銅前酸洗工藝控制不當(dāng)，易形成氫脆，導(dǎo)致鏈輪軸開(kāi)裂。

建議嚴(yán)格控制原材料中的非金屬夾雜物，提升材料等級(jí)，并制訂合適的酸洗工藝，嚴(yán)格控制酸洗過(guò)程的工藝參數(shù)，以防止產(chǎn)生氫脆。

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