热处理工装失效分析

刘晓，张贻柱

西安法士特汽车传动有限公司 陕西西安 710000

1 序言

目前，立杆作为大量使用的热处理工装，其损耗量也非常巨大，主要的失效形式是高温氧化减薄,强度严重下降，因此对工装的失效原因进行分析具有重要意义。

2 热处理用工装的基本要求

热处理的过程中需要使用较为特殊的工装，而工装质量将直接影响到零件热处理的效果[1]。其基本要求如下。

（1）较好的耐热性能 凡在高温下承载工件的工装, 都要求具有较好的耐热性能和一定的耐蚀性,以防止严重氧化, 因此有时要求对其进行抗渗碳处理等。为了满足这些要求, 一般从材料的选择上予以考虑, 因此材料的成本较高。

（2）一定的高温强度 高温强度指装载工件的工装在高温下长时间加热, 能承载被加热工件的重量，且工装不发生严重变形甚至散架[2]。虽然工装的高温强度靠材料和工装结构保证, 但如果结构太强, 则重量大, 吸收的热能多, 使工件的单位能源消耗增加, 加热时间延长, 导致生产成本上升。

（3）较低的材料与制作成本 制作热处理工装常采用焊接、铸造方法。控制工装材料与工装制作成本，是控制热处理生产成本的重要方面[3]。

该断裂立柱来自渗碳炉用废品框，材料为HR32 耐热钢，铸造成形。在多次使用后立柱发生严重扭曲变形，人为敲断后外观如图1所示，断口宏观形貌如图2所示。

图1 断裂立柱外观

图2 断口宏观形貌

3 理化检测

3.1 宏观检测

肉眼观察敲断后的立柱，发现表面有清晰可见的裂纹（见图1箭头所指位置）。红框处为金相组织检测取样位置。断口中心黑色区域目视观察可看到表面有黑色的粉末状物质，初步判断为渗碳炉中沉积的炭黑（见图2）。对立柱进行切割时得到a、b2个面。观察发现靠近断口的a面试样边缘有裂纹，心部有孔洞，如图3a所示；而远离断口的b面则只发现了裂纹，如图3b所示。从图3b中b面裂纹的位置可以看出，该裂纹是a面心部孔洞的延伸，a面中心孔洞是铸造缺陷。

图3 立柱切割面

3.2 金相检验

在图1红框位置处取样，经磨光、抛光、腐蚀后观察金相组织，可发现立柱晶内和晶界处析出大量碳化物，远离裂纹处奥氏体晶体内析出的碳化物呈圆球状[4]，晶界处碳化物呈块状，如图4所示。裂纹附近金相组织显示，在奥氏体晶界处有孔洞，晶界处碳化物较远离裂纹处少，但仍可看到部分块状碳化物；奥氏体晶体内部碳化物主要为棒状和块状，如图5所示。

图4 远离裂纹处金相组织

3.3 能谱微区分析

将试样断口清洗干净，在扫描电镜下观察，发现A区域处（见图2）断口表面覆盖了一层黑色的粉末状物质，如图6所示。能谱分析结果见表1，表明黑色物质正是前文推测的炭黑。断口附着的炭黑表明：立柱中心部位的孔洞，可能在长期使用中发生变形，个别区域尖角效应引起的应力集中，使裂纹延伸至立柱表面，断口宏观形貌显示，有3处黑色区域已经延伸至立柱表面；也有可能是铸造时产生的细小裂纹未被发现。在随后的使用过程中，碳原子不断从裂缝中渗入，最后沉积形成炭黑。因此，表现出断口中心A区呈黑色，而表层B区呈银灰色。

3.4 扫描电镜分析

扫描电镜下发现零件边缘裂纹，如图7所示。图7中C处裂纹形貌如图8所示，显示断口表面已完全被氧化，这也表明零件存在缺陷后仍然在服役。

图7 零件边缘裂纹处断口形貌

图8 C处裂纹形貌

对边缘B区（见图2）进行观察，发现此处为新鲜断口，断口表面未附着炭黑，也未被氧化，如图9所示。由此推测，此处断裂发生在立柱从炉内取出人为敲断之后。

图9 B区断口形貌

4 分析与讨论

由金相组织检测可知，立柱中心存在严重的铸造孔洞缺陷，减小了其有效承载面积。在使用过程中，随着时间的增加，碳化物不断在晶界和晶内析出，晶内析出碳化物开始为圆球状，并不断长大、聚集向棒状和块状转变。晶界上的块状碳化物尺寸不断增加，使晶界析出的碳化物与基体的结合力不断降低。炭黑通过裂纹孔隙渗入到零件内部，在零件心部沉积；当操作者发现立柱扭曲后，将其从炉内取出，在外力的作用下发生最终断裂。

5 结束语

由以上分析可知，立柱中心存在的铸造孔洞是其长期使用后严重扭曲变形的主要原因，随着使用时间的增加，奥氏体边界的碳化物尺寸逐渐长大，碳化物与基体的结合力减弱，促进了变形的快速发展。

经过分析，对渗碳炉用工装提出以下改进措施：首先，加强工装进场宏观检验；其次，使用抗渗碳涂层阻止活性碳原子进入工装内部，使其不被渗碳，减小变形开裂的倾向，从而延长工装使用寿命。