51CrV4鋼鏈板等溫淬火斷裂失效分析

■ 代玉杰，趙衛(wèi)萍，劉德鵬，王 魁

近年來，在汽車發(fā)動機(jī)、摩托車發(fā)動機(jī)和叉車發(fā)動機(jī)以及其他高速傳動系統(tǒng)中，對各種形式的齒形鏈的性能要求越來越高，歐美等發(fā)達(dá)國家已提出了與發(fā)動機(jī)同壽命的設(shè)計理念。因此，為提高齒形鏈的使用壽命，選用鏈板材質(zhì)為51CrV4 鋼。51CrV4鋼為中碳合金彈簧鋼，其化學(xué)成分等同于國產(chǎn)50CrVA鋼，其材料的穩(wěn)定性優(yōu)于國產(chǎn)50CrVA鋼，具有高的彈性極限和屈強(qiáng)比、高的疲勞極限和足夠的塑性，熱處理工藝性好。經(jīng)連續(xù)式網(wǎng)帶爐等溫淬火處理，可獲得力學(xué)性能較好的下貝氏體組織，用于高速、重載和交變載荷下的齒形鏈。但在裝配過程中發(fā)現(xiàn)一些斷裂鏈板，為找到鏈板斷裂的原因，采用直讀光譜儀、金相顯微鏡和維氏硬度計等手段對斷裂鏈板進(jìn)行分析。

圖1 斷裂鏈板批次所用帶鋼的金相組織

表1 斷裂鏈板批次所用帶鋼的化學(xué)成分檢驗結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

1. 原材料的復(fù)檢

由于齒形鏈在起動頻繁/承受較大交變載荷的工況下工作，因此對冷軋帶鋼的組織和化學(xué)成分的要求嚴(yán)格。對斷裂鏈板批次所用的帶鋼進(jìn)行復(fù)檢，經(jīng)直讀光譜儀分析，其化學(xué)成分如表1所示。結(jié)果表明其化學(xué)成分符合EN10132-4：2000標(biāo)準(zhǔn)中51CrV4鋼化學(xué)成分技術(shù)要求。

沿帶鋼軋制方向和垂直于軋制方向截取試樣，鑲嵌磨制拋光后夾雜物級別分析。按GB/T10561—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行夾雜物評定，各類非金屬夾雜物最大等級不超過1.5級。將制好的金相試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，按照GB/T13299—1991標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行帶狀組織評級，帶狀組織不大于1級，無脫碳現(xiàn)象。按照J(rèn)B/T5074—2007標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行球化組織評定，金相組織如圖1所示。結(jié)果表明其球化等級為6級，組織為均勻分布的球化體+鐵素體。由此得知，帶鋼符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2. 斷口宏觀分析

外觀檢查斷裂鏈板，可見斷口平齊而光亮，沒有明顯的塑性變形，為脆性斷口。

3. 金相組織檢測

采用雙盤式研磨機(jī)和金相顯微鏡對正常鏈板與斷裂鏈板沿厚度方向從表層向中心進(jìn)行金相組織觀察。正常鏈板與斷裂鏈板金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在顯微鏡下觀察，金相檢驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，正常鏈板表層組織與心部組織均為下貝氏體+回火馬氏體+少量彌散分布的碳化物，無明顯增碳和脫碳現(xiàn)象。而斷裂鏈板的心部組織正常，碳化物分布較為均勻，但其表層組織中碳化物較多，且分布較為集中。由此可知，斷裂鏈板表面有增碳現(xiàn)象，增碳層厚度約0.02mm。由于帶鋼中Cr含量高，因此碳化物的形成敏感性較高，當(dāng)?shù)葴鼐W(wǎng)帶爐內(nèi)的碳勢發(fā)生較大波動時，鏈板表面增碳，加之碳化物聚集并局部剝落，導(dǎo)致裂紋在應(yīng)力集中的表面臺階處萌生和擴(kuò)展，使得下貝氏體的優(yōu)良強(qiáng)韌性未能充分發(fā)揮，加速了裂紋的擴(kuò)展，使得鏈板發(fā)生脆性斷裂。

圖2 鏈板表層組織與心部組織

表2 正常鏈板硬度梯度檢測結(jié)果

表3 斷裂鏈板硬度梯度檢測結(jié)果

4. 硬度檢測

依據(jù)GB/T4340.1—2012《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對鏈板厚度方向進(jìn)行硬度梯度檢測，如表2、表3所示。

51CrV4等溫鏈板要求淬火、回火后硬度為50～54HRC，通過對正常鏈板與斷裂鏈板進(jìn)行硬度梯度分析對比發(fā)現(xiàn)，正常鏈板的硬度值在技術(shù)要求的下限，而斷裂鏈板的硬度值偏技術(shù)要求的上限。結(jié)合韌性檢驗工裝檢測，發(fā)現(xiàn)斷裂鏈板的韌性差，彎曲大于30°時，有裂紋出現(xiàn)。

5. 結(jié)語

斷裂鏈板所用原材料的組織和化學(xué)成分符合技術(shù)要求，其斷裂形式為脆性斷裂，主要原因是由于等溫淬火時鏈板表面增碳，加之碳化物聚集并局部剝落，導(dǎo)致裂紋在應(yīng)力集中的表面臺階處萌生和擴(kuò)展，使得下貝氏體的優(yōu)良強(qiáng)韌性未能充分發(fā)揮，加速了裂紋的擴(kuò)展，使得鏈板發(fā)生脆性斷裂。

[1] 孟繁忠，葉斌.鏈傳動技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2] 付振明，金玉謨，孟繁忠.50CrVA鋼齒形鏈鏈板的熱處理工藝試驗[J].金屬熱處理，2016，36（6）：120-122.

[3] EN10132-4：2000 冷軋窄鋼帶材 第4部分 彈簧鋼和其他用途鋼[S].

[4] 中國人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T10561—2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T13299—1991 鋼的顯微組織評定方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991.

[6] 中國人民共和國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.JB/T5074—2007低中碳鋼球化體評級[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[7] 李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[8] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T4340.1—2012 金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.