316L不銹鋼過濾網斷裂原因分析

于鳳云,李春艷,趙 悅,鄒龍江,王偉強

(大連理工大學 材料科學與工程學院,大連 116024)

隨著經濟社會的不斷發展，汽車已經成為日常生活的重要用品之一。作為汽車系統“三大件”之一的變速箱，是協調發動機的轉速和車輪的實際行駛速度一致的關鍵裝置。在變速箱故障中，約50%的故障都直接或間接與變速箱油液污染有關。變速箱油液污染會加速變速箱內部齒輪等零部件的磨損，降低變速箱內部各零部件的服役壽命和可靠性；其次，油液中存在的金屬顆粒、碳沉積物等雜質會損傷零部件配合間隙面，產生油液泄露隱患，嚴重時會造成運動類零部件的運行卡滯，甚至卡死，進而造成整車性能下降甚至發生安全事故[1-2]。變速箱濾網是一種安裝在變速箱內的過濾裝置，用于過濾變速箱內的潤滑油液，起到保護變速箱、增強其服役可靠性的作用。過濾網在擋位切換時要經受油液的反復沖刷，長期承受著交變載荷；同時,由于油液對過濾網的侵蝕，進一步增加了過濾網產生故障的幾率。

某公司變速箱產品中使用的316L不銹鋼過濾網，在服役期間出現了多處裂紋，并發生了斷裂。筆者對斷裂的過濾網進行了一系列檢驗和分析,為企業對過濾網進行技術改進提供參考依據。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

變速箱過濾網產品所用金屬網是采購的成品316L不銹鋼絲網，網絲直徑50 μm，該絲網通過機械編織而成。變速箱過濾網產品的生產通過模具注塑工藝實現，如圖1所示，316L不銹鋼絲網裝夾于定、動模主鑲件之間，上下主鑲件之間預留有產品筋位成型區域，熔融塑料注入并填充該區域，冷卻成型后形成聚合物邊框。為避免熔融塑料進入網布工作區間，上下模具在筋位附近設置了0.01～0.03 mm的預壓緊。

圖1 變速箱過濾網制造過程示意圖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

變速箱過濾網使用中經歷油液交變沖刷后產生多處斷裂，如圖2所示。變速箱過濾網斷裂呈現以下特點：斷裂位置均位于靠近聚合物邊框處；斷裂多發生于網絲交叉處；過濾網斷口表面可發現明顯的軋制變形痕跡。由此推斷，過濾網斷裂可能與集成過程中的軋制操作有關。

圖2 斷裂過濾網的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured strainer screen

1.2 斷口分析

變速箱過濾網斷裂主要發生于靠近聚合物邊框的網絲交叉處，少部分斷裂發生于遠離聚合物框的絲網中部。采用JXA-8530F plus型場發射電子探針觀察過濾網網絲斷口，如圖3所示。靠近聚合物邊框處的金屬絲網受軋制固定影響，網絲交叉處產生明顯的壓扁變形，軋制表面有孔洞存在。過濾網網絲斷裂位于最大彎曲變形處，斷口呈現出典型的疲勞斷裂特征[3]。網絲在交叉處軋制變形量最大，最容易產生應力集中，形成疲勞源[4]。疲勞開裂從疲勞源向內部擴展，形成疲勞擴展區,在疲勞擴展區里可見明顯的疲勞輝紋。而在遠離聚合物邊框的網絲斷裂處，由于此處受軋制影響較小，網絲變形較小，橫截面基本保持為圓形，但在斷口中仍然可以看到明顯的疲勞輝紋。

圖3 過濾網網絲斷口低倍形貌Fig.3 Low multiple morphology of wires fracture of strainer screen:a) near the frame; b) away from the frame

斷口疲勞源區和疲勞擴展區的化學成分如表1所示。可見疲勞源區和疲勞擴展區硫元素質量分數均很低(<0.1%)，表明斷口中無硫化物存在，排除了硫化物夾雜以及金屬網絲與油液反應生成硫化物導致網絲斷裂的可能。

表1 過濾網網絲微區化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the strainer screen wire in micro region (mass fraction) %

1.3 金相檢驗及元素分布分析

在遠離斷裂處的完好網絲上截取試樣，通過鑲嵌、包埋、保護試樣邊緣并對試樣進行磨拋浸蝕之后，采用Olympus OLS4000型激光共聚焦顯微鏡觀察其顯微組織，如圖4所示。可見金屬網絲橫、縱截面的晶粒為等軸晶，晶粒尺寸約5m，編織的網絲在交叉處因軋制工藝變得扁圓。對網絲邊緣進行放大觀察，未發現晶間腐蝕現象。在部分網絲橫截面上可見少量的微裂紋，縱截面上可以看到較多的平行于網絲長度方向的拉絲劃痕。這些表面缺陷有可能成為網絲斷裂的起源。

網絲表面劃痕處電子探針元素面分布如圖5所示。可見劃痕處未發現明顯的元素偏聚，劃痕處元素種類及其含量與其他部位基本一致，說明此缺陷確為拉絲編織過程中產生的劃痕，而不是網絲內部的條形夾雜物。在絲網交叉位置取樣進行電子探針元素面分析，如圖6所示，可見金屬網絲內部成分均勻，不存在明顯的宏觀偏析。

圖4 網絲的顯微組織形貌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

圖5 網絲表面劃痕微觀形貌及元素面分布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

圖6 網絲橫截面元素面分布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 微觀分析

在遠離斷裂處的網絲上截取試樣，通過Gatan 685型氬離子拋光儀對網絲表面進行離子束切割拋光，使用JXA-8530F Plus型場發射電子探針(EPMA)二次電子成像觀察其微觀形貌，如圖7所示。網絲表面可以觀察到孔洞、分層等表面缺陷，在變形較大處能夠觀察到表面微裂紋的存在。這些表面缺陷都有可能誘使金屬絲網在油液交變沖刷作用下產生疲勞裂紋，進而導致網絲斷裂。在網絲交叉處發現網絲近表面內部存在大顆粒夾雜物，尺寸為4～5 μm，如圖8所示。采用電子探針波譜儀(WDS)分析該大顆粒夾雜物成分，結果顯示該夾雜物主要為鋁鎂氧化物。氧化物夾雜通常為硬質相，在交變應力作用下，夾雜物與周圍基體對外力作用的響應不同步，誘發局部應力集中，從而產生裂紋源[4-6]。網絲表面大缺陷由于反復拉拔使缺陷側面倒塌(即向內卷入)產生明顯的折疊缺陷，該折疊缺陷在外力作用下產生剝離[7]。

圖7 網絲近表層缺陷微觀形貌Fig.7 Micro morphology of near surface defects of wire:a) delamination; b) superficial cracks

圖8 網絲內部大顆粒夾雜物微觀形貌及化學成分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 分析與討論

由以上理化檢驗結果可知，過濾網絲基體的顯微組織和成分正常，未見晶界腐蝕現象，所以排除由于耐蝕性降低導致的腐蝕疲勞斷裂。但過濾網絲中出現的硬質冶金夾雜(顆粒)如若出現在絲材表面或淺表層也有誘發絲材疲勞斷裂的可能。過濾絲網在編制集成過程中會經過軋制工藝，使得網絲在軋制處變形量較大，如若后續處理工藝對該處殘余應力去除不徹底，則該處會因為應力集中成為疲勞裂紋萌生的源頭[4-5]。

網絲疲勞斷裂在網絲交叉(彎曲變形)處產生，部分斷口處能夠觀察到明顯的塑性變形，有的仍保持基本的圓形。結合其網絲近表層剝離觀察結果可知，斷口截面仍保持圓形的網絲，其疲勞裂紋的萌生應與表面缺陷有關，此類表面缺陷(分層、劃痕)的產生與拔絲工藝有關。斷口截面變成扁圓形的絲網，其疲勞裂紋的萌生應既與殘余應力有關，又與表面缺陷有關。

3 結論及建議

該316L不銹鋼過濾網的斷裂模式為疲勞斷裂。網絲在拉拔工藝中表面產生了分層、劃痕及其近表面的硬質夾雜顆粒等缺陷，集成制網時在網絲交叉處產生了加工硬化，在二者的共同作用下導致過濾網在使用中產生疲勞斷裂。

建議在制備過濾網絲時，選材要保證材料質量符合要求，另外在集成過濾網制備工藝中應盡量避免或者消除軋制工藝產生的殘余應力。