某压铸机拉杆早期断裂原因

2022-08-04朱泽晓李振华

理化检验(物理分册) 2022年7期

朱泽晓, 王挺, 李振华

(海天塑机集团有限公司, 宁波 315821)

拉杆是压铸机的重要承载零件，其易受交变应力作用而发生早期断裂。某铝合金压铸机拉杆的材料为42CrMoA钢，采用调质热处理，使用2 a后其头部螺纹处发生断裂，部分拉杆断于其配套的悬置螺母中，拉杆断裂位置及局部结构如图1所示。笔者通过一系列的理化检验分析了该拉杆的断裂原因。

图1 拉杆断裂位置及局部结构示意

1 理化检验

1.1 宏观观察

该型压铸机的水溶性脱模剂采用了自动喷淋的方式，脱模剂管道分布在拉杆螺纹段上方且存在渗漏现象(见图2)。断裂拉杆的宏观形貌如图3所示。由图3可知：拉杆断口氧化严重，疲劳断裂特征明显，其由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区3个部分组成[1]，存在多个疲劳源，螺纹表面存在深浅不一的孔洞。

图2 压铸机管道渗漏现场

图3 断裂拉杆宏观形貌

1.2 螺纹加工质量测试

取拉杆完整螺纹段，清洗后观察远离断口侧的螺纹底部加工质量，并采用轮廓仪测量螺纹尺寸，结果显示螺纹表面粗糙度小，且加工尺寸符合技术要求(见图4)。

图4 螺纹加工质量测试结果

1.3 化学成分分析

在拉杆疲劳源附近取样，采用LABM12型直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：拉杆的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对42CrMoA钢的技术要求。

表1 断裂拉杆的化学成分 %

1.4 金相检验

在拉杆疲劳源附近取样，经打磨、抛光后，采用GX71型光学显微镜观察拉杆中纵向夹杂物，检验结果如图5a)所示。根据GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》，判定断裂拉杆中A类(硫化物类)夹杂物为0.5级，无其他夹杂物。

在拉杆断口附近横截面处取样，根据GB/T 226—2015 《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验方法》进行热酸蚀试验，观察其低倍组织形貌[见图5b)]，根据GB/T 1979—2001 《结构钢低倍组织缺陷评级图》对其评级，结果如表2所示。

图5 断裂拉杆夹杂物及低倍组织检验结果

表2 断裂拉杆低倍组织评级结果级

在拉杆主断面附近螺纹处发现多个螺纹均存在萌生于螺纹底部腐蚀坑的微裂纹，且每个螺纹均存在多个腐蚀坑。在断口疲劳源附近取样，经打磨、抛光后，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀后，用GX71型倒置式显微镜观察显微组织，发现拉杆疲劳源处组织为回火索氏体+粒状贝氏体+微量铁素体(见图6)。

图6 疲劳源附近的显微组织形貌

1.5 力学性能测试

在拉杆螺纹段距外圆面R/3(25 mm) 处纵向取拉伸和V型冲击试样，根据GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 229—2020 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，分别采用MTS C45.305型微机控制电子万能试验机和ZBC2302-D型摆锤式冲击试验机进行拉伸和冲击试验，结果如表3所示。由表3可知，拉杆的力学性能符合企标QHTJ 102-2018 《金属材料通用技术标准第一部分》中对42CrMoA钢的要求。

表3 拉杆材料力学性能测试结果

1.6 断口分析

将拉杆断口清洗并吹干后，置于JSM-6510A型扫描电镜(SEM)下观察,可以看到拉杆疲劳裂纹萌生于螺纹底部连续腐蚀坑位置[见图7a)],图7b)为疲劳裂纹扩展区的疲劳条带微观形貌。结合宏观特征，判断该拉杆断裂模式为裂纹萌生于螺纹底部腐蚀坑的多源疲劳断裂。对腐蚀坑内的腐蚀产物进行能谱(EDS)分析，发现其主要成分为含有合金元素的氧化物(见图8)。

图7 拉杆断口SEM形貌

图8 拉杆断口腐蚀产物EDS分析结果

2 综合分析

根据上述理化检验结果可知：拉杆的螺纹尺寸、显微组织及力学性能均符合相关标准要求。宏观观察发现拉杆断口的疲劳裂纹源位于拉杆螺纹底部，呈多源疲劳特征，且螺纹底部布满大小、深浅不一的腐蚀坑。拉杆因承受应力过大，或表面存在缺陷会产生应力集中，其疲劳断口呈低周疲劳断裂特征，存在多个疲劳源[2-3]，多源疲劳相互交接后在疲劳源区形成疲劳台阶[4-5]。拉杆螺纹本身由于尺寸因素会产生较大的应力集中，拉杆底部腐蚀缺陷加剧了应力集中的程度和范围，因此在服役过程中产生多源疲劳，疲劳台阶几乎占据了断口的1/2外圆弧。EDS分析结果显示疲劳源处腐蚀坑表面的腐蚀产物主要为含有合金元素的氧化物，这与拉杆中所用的水溶性脱模剂成分相吻合。该型拉杆所使用的是水性脱模剂，以1…200(体积比)兑水后作为喷淋溶液，因其配方中缺少防锈缓蚀剂，故脱模剂无法在拉杆表面形成保护膜,又因脱模剂的渗漏，使得拉杆长期暴露于潮湿的环境中，表面易锈蚀。铁锈是一种疏松的沉积物，并不紧附于拉杆表面，不能阻止水、腐蚀气体等的通过，反而更能吸附水、腐蚀气体，使得电化学腐蚀不断地进行。综合以上原因，拉杆在交变应力作用下，在潮湿、温度较高(30 ℃)的环境下服役，拉杆螺纹底部出现了大量大小不一的腐蚀坑。持续高温、潮湿的环境导致腐蚀坑数量不断增加，尺寸不断扩大，进而使拉杆疲劳裂纹不断萌生并扩展，最终拉杆发生了早期疲劳断裂。