45號(hào)鋼墊圈斷裂的原因分析和改進(jìn)措施

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213025

1 斷裂情況

某45號(hào)鋼墊圈產(chǎn)品發(fā)至客戶現(xiàn)場(chǎng)裝配后,發(fā)現(xiàn)墊圈斷裂。

墊圈加工工藝為板材→沖壓成型→機(jī)加工→淬火+中溫回火→酸洗→電鍍鋅→去氫處理→磁粉探傷。熱處理后要求洛氏硬度(HRC)為36～41[1-4]。

為查找斷裂原因,對(duì)斷裂墊圈進(jìn)行斷口形貌、力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織等理化分析。宏觀形貌顯示墊圈內(nèi)孔存在加工臺(tái)階和明顯的刀痕,能譜測(cè)試發(fā)現(xiàn)斷裂起始處存在鋅元素,金相組織分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔加工面存在微裂紋。結(jié)合加工工藝分析,確認(rèn)零件斷裂原因,并采取改進(jìn)措施[5]。

2 斷口形貌分析

如圖1所示，墊圈斷裂成三塊,表面存在硬度壓痕。如圖2所示，墊圈內(nèi)孔存在粗糙的加工刀痕及臺(tái)階。

如圖3所示，觀察1號(hào)和3號(hào)裂塊斷口宏觀形貌，箭頭所指部位為斷裂起始處。斷裂起始處微觀形貌如圖4、圖5所示,可以確認(rèn)斷裂方式以沿晶為主,未見異常現(xiàn)象。能譜測(cè)試發(fā)現(xiàn),在斷裂起始處存在鋅元素。

▲圖1 斷裂墊圈▲圖2 內(nèi)孔宏觀形貌

▲圖3 斷口宏觀形貌▲圖4 斷裂起始處45倍放大微觀形貌▲圖5 斷裂起始處55倍放大微觀形貌

3 力學(xué)性能分析

檢測(cè)基體三處洛氏硬度(HRC)，分別為40.0、40.5、41.0,符合熱處理后洛氏硬度(HRC)36～41的技術(shù)要求。

4 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂墊圈進(jìn)行化學(xué)成分檢查,結(jié)果見表1。化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中45號(hào)鋼的成分要求。

表1 化學(xué)成分

5 金相組織分析

將裂塊磨拋后檢測(cè)金相組織，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中A法檢測(cè)非金屬夾雜物。A類硫化物類，長(zhǎng)度≤37 μm為0.5級(jí)，長(zhǎng)度>37 μm且≤127 μm為1級(jí)。D類環(huán)狀氧化物類，數(shù)量≤1為0.5級(jí)，數(shù)量>1且≤4為1級(jí)。

評(píng)定非金屬夾雜物級(jí)別為A1(長(zhǎng)度122 μm)、D1(數(shù)量2),如圖6所示。

▲圖6 非金屬夾雜物100倍放大形貌

基體組織為回火屈氏體,晶粒度級(jí)別約為8級(jí),帶狀組織約為1級(jí),如圖7所示。

▲圖7 基體組織500倍放大形貌

墊圈內(nèi)孔臺(tái)階部位存在微裂紋,裂紋深約30 μm,尾部尖細(xì)呈沿晶擴(kuò)展,兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象,如圖8所示。

▲圖8 內(nèi)孔臺(tái)階部位微裂紋500倍放大形貌

6 分析結(jié)果

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果,斷裂墊圈的原材料符合技術(shù)要求,金相組織符合要求,力學(xué)性能符合要求。

斷口能譜測(cè)試顯示裂紋起始處存在鋅元素,微裂紋應(yīng)在電鍍鋅之前已存在。內(nèi)孔臺(tái)階部位發(fā)現(xiàn)的微裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象。

斷裂墊圈內(nèi)孔存在加工臺(tái)階和明顯的刀痕,在酸洗時(shí),腐蝕性液體易在臺(tái)階和刀痕殘留，產(chǎn)生腐蝕,并產(chǎn)生微裂紋。電鍍鋅過程中鍍液進(jìn)入微裂紋處,因此斷裂起始處檢測(cè)到鋅元素。

內(nèi)孔發(fā)現(xiàn)的其它微裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象,可以進(jìn)一步證明微裂紋產(chǎn)生于熱處理后、電鍍鋅前，即酸洗作業(yè)。

分析確認(rèn)此次墊圈斷裂為氫致延遲斷裂[6-9]。

7 改進(jìn)措施

采取的改進(jìn)措施為提高機(jī)加工作業(yè)過程的表面外觀質(zhì)量要求,控制表面粗糙度[10]。同時(shí),考慮到墊圈硬度已接近技術(shù)要求上限,可以提高回火溫度,以適當(dāng)降低硬度。

上述措施實(shí)施后,45號(hào)鋼墊圈未再發(fā)生同類問題。