链轮轴裂纹形成原因分析

2018-04-16王立玲张冰洋宗长江

机械制造 2018年2期

□ 王立玲 □ 张冰洋 □ 宗长江

中煤张家口煤矿机械有限责任公司河北张家口 075000

1　裂纹情况

如图1所示，某型号链轮轴加工后发现裂纹，裂纹深且长，纵向基本贯通整根轴。链轮轴主要加工工艺路线为：原材料→锻造→正火→高温回火→表面切削加工→镀铜→渗碳淬火（840℃）→回火（230℃）。经了解，裂纹是在回火后发现的，同一批产品中约有80%出现类似现象。笔者对链轮轴裂纹的形成原因进行分析，以防止类似现象再次出现。

▲图1 链轮轴裂纹

2　理化检验

在链轮轴开裂处制取化学分析试样，使用真空直读光谱仪进行化学成分分析，并制取金相试样，使用金相显微镜进行金相分析。

化学成分分析结果见表1，可见链轮轴材料成分符合要求。

金相组织检验面与断口表面垂直，显微组织为回火马氏体，如图2所示。

▲图2 金相组织

3　断口分析

在裂纹近似最宽的部位制取断口试样，超声波清洗后置于扫描电镜中进行断口分析，如图3所示。

断口表面无金属光泽，未见明显塑性变形，整体平齐，结构粗糙，呈脆性断裂特征。仔细观察断口表面，可见清晰的放射状条纹，条纹收敛方向大致指向断口表面右下角长方形区域。将该区域放大，该区域为亮灰色，疑似为裂纹源区，如图4所示。

将断口试样在扫描电镜下观察，在疑似裂纹源区发现有大量鸭嘴形特殊形貌特征，且成群分布、大小不一，如图5中箭头所示。放射状条纹区域则没有这种现象。

将鸭嘴形特殊形貌进一步放大，如图6所示，可见整体基本呈椭圆形，断裂面较平滑，与基体有明显界面。鸭嘴形特殊形貌中间有一条白色的撕裂棱条带，条带两侧的断裂面不在一个平面上。

表1　化学成分分析

选取一个鸭嘴形特殊形貌，放大中间撕裂棱白色条带，可见整体沿条带方向分布大量夹杂物，且部分形成裂纹，如图7所示。

经仔细观察，鸭嘴形特殊形貌微观多为解理或准解理，并带有二次裂纹，还有部分沿晶面断裂，具有明显的氢脆裂纹特征，如图8所示。

4　分析讨论

由上述分析可知，链轮轴的化学成分、金相组织均满足要求。

断口附近无塑性变形，呈脆性断裂特征。裂纹源区聚集有大量鸭嘴形特殊形貌，并分布大量夹杂物，与基体形成鲜明轮廓。分析结果表明，该断口具有典型的氢脆断裂特征［1］。

▲图3 断口分析

▲图4 疑似裂纹源区

▲图5 鸭嘴形特殊形貌

分析产品的制造工艺，发现其中有镀铜工艺，镀铜前需经酸洗去除氧化皮。镀铜和过酸洗都为充氢过程，零件在镀铜或过酸洗后会进入大量的氢［2］。氢在钢中可造成严重缺陷，如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓包、焊缝热影响区内裂纹等［3］。

▲图6 鸭嘴形特殊形貌放大

▲图7 撕裂棱白色条带放大

▲图8 鸭嘴形特殊形貌微观影像

酸洗是利用酸与铁氧化物的化学反应，达到去除氧化皮效果的一种表面处理工艺［4］，也是零件电镀过程中产生渗氢的主要环节［5］。在酸洗过程中，酸液与基体金属发生化学反应，产生大量氢气，这些氢气一部分逸出，另一部分则以原子状态向金属内部扩散［6］。酸洗液成分、酸洗温度、酸洗时间，以及合金成分等都能影响氢含量［7］，如果酸洗工艺不合理或操作不当，就会产生氢脆缺陷。氢脆是一种由于氢渗入金属内部导致的材料损伤，可以使金属材料在低于材料屈服强度的静应力作用下发生延迟断裂［8-9］。

非金属夹杂物分布在钢中破坏了金属基体的连续性，使材料的塑性和韧性降低［10］。同时，氢原子易于与夹杂物等相结合，可以使氢富集在夹杂物和基体的界面上。如果存在应力，在夹杂物和基体的界面处会形成应力集中［11］，从而一方面使氢在夹杂物处产生应力诱导氢富集，另一方面使夹杂物和基体的界面处先开裂，形成氢脆，导致产品开裂。

经了解，该批产品镀铜前的酸洗工艺极其不稳定，从而验证了以上分析，即氢脆致使链轮轴产生裂纹，导致产品开裂。