316L不锈钢过滤网断裂原因分析

2020-08-21于凤云李春艳邹龙江王伟强

理化检验(物理分册) 2020年8期

于凤云,李春艳,赵悦,邹龙江,王伟强

(大连理工大学材料科学与工程学院,大连 116024)

随着经济社会的不断发展，汽车已经成为日常生活的重要用品之一。作为汽车系统“三大件”之一的变速箱，是协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度一致的关键装置。在变速箱故障中，约50%的故障都直接或间接与变速箱油液污染有关。变速箱油液污染会加速变速箱内部齿轮等零部件的磨损，降低变速箱内部各零部件的服役寿命和可靠性；其次，油液中存在的金属颗粒、碳沉积物等杂质会损伤零部件配合间隙面，产生油液泄露隐患，严重时会造成运动类零部件的运行卡滞，甚至卡死，进而造成整车性能下降甚至发生安全事故[1-2]。变速箱滤网是一种安装在变速箱内的过滤装置，用于过滤变速箱内的润滑油液，起到保护变速箱、增强其服役可靠性的作用。过滤网在挡位切换时要经受油液的反复冲刷，长期承受着交变载荷；同时,由于油液对过滤网的侵蚀，进一步增加了过滤网产生故障的几率。

某公司变速箱产品中使用的316L不锈钢过滤网，在服役期间出现了多处裂纹，并发生了断裂。笔者对断裂的过滤网进行了一系列检验和分析,为企业对过滤网进行技术改进提供参考依据。

1 理化检验

1.1 宏观分析

变速箱过滤网产品所用金属网是采购的成品316L不锈钢丝网，网丝直径50 μm，该丝网通过机械编织而成。变速箱过滤网产品的生产通过模具注塑工艺实现，如图1所示，316L不锈钢丝网装夹于定、动模主镶件之间，上下主镶件之间预留有产品筋位成型区域，熔融塑料注入并填充该区域，冷却成型后形成聚合物边框。为避免熔融塑料进入网布工作区间，上下模具在筋位附近设置了0.01～0.03 mm的预压紧。

图1 变速箱过滤网制造过程示意图Fig.1 Manufacturing process diagram of gearbox strainer screen:a) laying wire; b) upper and lower fixed mold assembly; c) injection molding of frame cavity

变速箱过滤网使用中经历油液交变冲刷后产生多处断裂，如图2所示。变速箱过滤网断裂呈现以下特点：断裂位置均位于靠近聚合物边框处；断裂多发生于网丝交叉处；过滤网断口表面可发现明显的轧制变形痕迹。由此推断，过滤网断裂可能与集成过程中的轧制操作有关。

图2 断裂过滤网的宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured strainer screen

1.2 断口分析

变速箱过滤网断裂主要发生于靠近聚合物边框的网丝交叉处，少部分断裂发生于远离聚合物框的丝网中部。采用JXA-8530F plus型场发射电子探针观察过滤网网丝断口，如图3所示。靠近聚合物边框处的金属丝网受轧制固定影响，网丝交叉处产生明显的压扁变形，轧制表面有孔洞存在。过滤网网丝断裂位于最大弯曲变形处，断口呈现出典型的疲劳断裂特征[3]。网丝在交叉处轧制变形量最大，最容易产生应力集中，形成疲劳源[4]。疲劳开裂从疲劳源向内部扩展，形成疲劳扩展区,在疲劳扩展区里可见明显的疲劳辉纹。而在远离聚合物边框的网丝断裂处，由于此处受轧制影响较小，网丝变形较小，横截面基本保持为圆形，但在断口中仍然可以看到明显的疲劳辉纹。

图3 过滤网网丝断口低倍形貌Fig.3 Low multiple morphology of wires fracture of strainer screen:a) near the frame; b) away from the frame

断口疲劳源区和疲劳扩展区的化学成分如表1所示。可见疲劳源区和疲劳扩展区硫元素质量分数均很低(<0.1%)，表明断口中无硫化物存在，排除了硫化物夹杂以及金属网丝与油液反应生成硫化物导致网丝断裂的可能。

表1 过滤网网丝微区化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the strainer screen wire in micro region (mass fraction) %

1.3 金相检验及元素分布分析

在远离断裂处的完好网丝上截取试样，通过镶嵌、包埋、保护试样边缘并对试样进行磨抛浸蚀之后，采用Olympus OLS4000型激光共聚焦显微镜观察其显微组织，如图4所示。可见金属网丝横、纵截面的晶粒为等轴晶，晶粒尺寸约5m，编织的网丝在交叉处因轧制工艺变得扁圆。对网丝边缘进行放大观察，未发现晶间腐蚀现象。在部分网丝横截面上可见少量的微裂纹，纵截面上可以看到较多的平行于网丝长度方向的拉丝划痕。这些表面缺陷有可能成为网丝断裂的起源。

网丝表面划痕处电子探针元素面分布如图5所示。可见划痕处未发现明显的元素偏聚，划痕处元素种类及其含量与其他部位基本一致，说明此缺陷确为拉丝编织过程中产生的划痕，而不是网丝内部的条形夹杂物。在丝网交叉位置取样进行电子探针元素面分析，如图6所示，可见金属网丝内部成分均匀，不存在明显的宏观偏析。

图4 网丝的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of wires:a) longitudinal section,at low magnification; b) cross section,at low magnification; c) longitudinal section,at high magnification;d) cross section,at high magnification; e) microcrack near surface; f) scratch near surface

图5 网丝表面划痕微观形貌及元素面分布Fig.5 Micro morphology of scratch on wire surface and element mapping:a) the scratch; b) S element mapping; c) O element mapping; d) Cr element mapping; e) Ni element mapping; f) Mn element mapping

图6 网丝横截面元素面分布Fig.6 Element mapping of cross section of wire:a) secondary electronic image; b) Fe element mapping; c) Cr element mapping; d) Ni element mapping; e) Mn element mapping;f) Mo element mapping; g) Si element mapping; h) S element mapping; i) O element mapping

1.4 微观分析

在远离断裂处的网丝上截取试样，通过Gatan 685型氩离子抛光仪对网丝表面进行离子束切割抛光，使用JXA-8530F Plus型场发射电子探针(EPMA)二次电子成像观察其微观形貌，如图7所示。网丝表面可以观察到孔洞、分层等表面缺陷，在变形较大处能够观察到表面微裂纹的存在。这些表面缺陷都有可能诱使金属丝网在油液交变冲刷作用下产生疲劳裂纹，进而导致网丝断裂。在网丝交叉处发现网丝近表面内部存在大颗粒夹杂物，尺寸为4～5 μm，如图8所示。采用电子探针波谱仪(WDS)分析该大颗粒夹杂物成分，结果显示该夹杂物主要为铝镁氧化物。氧化物夹杂通常为硬质相，在交变应力作用下，夹杂物与周围基体对外力作用的响应不同步，诱发局部应力集中，从而产生裂纹源[4-6]。网丝表面大缺陷由于反复拉拔使缺陷侧面倒塌(即向内卷入)产生明显的折叠缺陷，该折叠缺陷在外力作用下产生剥离[7]。

图7 网丝近表层缺陷微观形貌Fig.7 Micro morphology of near surface defects of wire:a) delamination; b) superficial cracks

图8 网丝内部大颗粒夹杂物微观形貌及化学成分Fig.8 Micro morphology and chemical compositions of thelarge inclusion in wire:a) micro morphology of the large inclusion;b) chemical compositions of the large inclusion

2 分析与讨论

由以上理化检验结果可知，过滤网丝基体的显微组织和成分正常，未见晶界腐蚀现象，所以排除由于耐蚀性降低导致的腐蚀疲劳断裂。但过滤网丝中出现的硬质冶金夹杂(颗粒)如若出现在丝材表面或浅表层也有诱发丝材疲劳断裂的可能。过滤丝网在编制集成过程中会经过轧制工艺，使得网丝在轧制处变形量较大，如若后续处理工艺对该处残余应力去除不彻底，则该处会因为应力集中成为疲劳裂纹萌生的源头[4-5]。

网丝疲劳断裂在网丝交叉(弯曲变形)处产生，部分断口处能够观察到明显的塑性变形，有的仍保持基本的圆形。结合其网丝近表层剥离观察结果可知，断口截面仍保持圆形的网丝，其疲劳裂纹的萌生应与表面缺陷有关，此类表面缺陷(分层、划痕)的产生与拔丝工艺有关。断口截面变成扁圆形的丝网，其疲劳裂纹的萌生应既与残余应力有关，又与表面缺陷有关。