摘 要:４２CrMo鋼蝸輪蝸桿在裝配時發現蝸桿表面開裂,通過宏觀分析、化學成分分析、淬火表 面殘余應力測試、微觀分析、金相檢驗、能譜分析、硬度測試等方法對蝸桿開裂的原因進行了分析. 結果表明:該４２CrMo鋼蝸桿表面裂紋為淬火應力裂紋,蝸桿材料中的錳的質量分數偏高以及淬火 過程中熱應力與組織應力疊加導致蝸桿沿軸線方向開裂.
關鍵詞:蝸輪蝸桿;淬火開裂;熱應力;組織應力;熱處理
中圖分類號:TH１４２．１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００３９Ｇ０５
隨著經濟的發展、社會的進步,人們對能源的 需求不斷 增 長.一 方 面 傳 統 的 煤 炭、石 油 等 化 石 能源日趨枯 竭,另 一 方 面 過 度 依 賴 化 石 能 源 所 帶 來的氣候、環 境、健 康 等 問 題 日 益 突 出,嚴 重 威 脅 人類的生存 和 發 展,尋 找 綠 色 能 源 實 現 可 持 續 發 展成為當前 人 類 面 臨 的 迫 切 課 題,已 經 得 到 各 國 政府的極大重視.太陽能作為一種取之不盡用之 不竭的清潔 環 保、無 污 染 能 源 近 年 來 得 到 前 所 未 有的發展.太陽能跟蹤系統是光熱和光伏發電過 程中,最優化太陽光使用,提高光電轉換效率的機 械及電控單 元 系 統,回 轉 支 撐 是 太 陽 能 跟 蹤 系 統 的重要組成 部 分,而 蝸 輪 蝸 桿 則 是 回 轉 支 撐 的 重 要零部件.
某太陽能回轉支撐蝸輪蝸 桿 采 用 ４２CrMo鋼 為原材料,直徑為３０mm,其主要加工及熱處理工 藝為:棒料下 料 → 調 質 處 理 → 毛 坯 粗 加 工 → 精 加 工→ 表 面 滲 氮 → 成 品. 在 裝 配 時 發 現 有 少 數 ４２CrMo鋼蝸桿 成 品 表 面 開 裂,為 了 找 出 ４２CrMo 鋼蝸桿開裂 的 原 因,筆 者 對 其 進 行 了 一 系 列 理 化 檢驗和分析.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
圖１為開裂蝸桿的宏觀形貌,可見蝸桿表面有 一條細長裂紋,裂紋筆直,為沿著圓柱軸向的縱向裂 紋,裂紋從蝸桿一側光桿穿過中間螺紋區域至另一 側光桿端部.從圖１b)縱向裂紋的橫截面形貌可 以看出,裂紋近似垂直于蝸桿表面,裂紋外闊內尖, 裂紋起源于蝸桿表面,從表面向心部延伸,延伸深度 為１０cm 左右,綜上分析縱向裂紋應該由工件表面 的拉應力引起[１].
１．２ 化學成分分析
在開裂 蝸 桿 上 截 取 化 學 成 分 分 析 試 樣,使 用 ARL３４６０型直讀光譜儀對蝸桿進行化學成分分析, 結果見表１.可見其化學成分均滿足 GB/T３０７７－ ２０１５«合金結構鋼»對４２CrMo鋼的成分要求.錳的 質量分數雖未超標,但在標準規定值的上限.合金鋼 中合適的錳的質量分數可以增加其強度和硬度,改善 合金鋼的鍛造性和可塑性,但隨著錳質量分數的增 加,會增加奧氏體相冷卻時的過冷度,降低合金鋼的 淬火溫度,并增大淬火應力,使淬裂的傾向變大.
１．３ 淬火表面殘余應力測試
采用 ProtoiＧXRD型 X 射線應力分析儀,按照 GB/T７７０４－２０１７«無 損 檢 測 X 射 線 應 力 測 定 方 法»對４２CrMo鋼蝸桿的淬火毛坯表面進行應力測 試,測試前圓棒毛坯試樣先用手持砂輪機打磨表面 及電解拋光腐蝕,再測試其表面殘余應力.測試方 法為 同 傾 法,測 得 表 面 殘 余 應 力 為 拉 應 力, ３０５MPa.
１．４ 微觀分析
沿垂直于蝸桿軸線截取橫向金相試樣,經鑲嵌、 磨拋后,可以觀察到主裂紋貫穿蝸桿,近似垂直于蝸 桿表面起裂,然后較為平直地從表面向心部軸心延 伸,延伸長度約為１/４直徑.裂紋在蝸桿表面略寬, 到未端時呈尖細狀,裂紋尾端呈線條狀且不連續,有 微裂紋不與主裂紋貫通,具有淬火裂紋的典型特征, 如圖２所示.
從蝸桿最大直徑處取金相試樣拋光后觀察,如 圖３所示,可見裂紋附近夾雜物情況較好,未發現明 顯有害夾雜物,按 GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬 夾雜物顯微評定方法———標準評級圖顯微檢驗法» A 法評定夾雜物級別為:A０．５級,B０級,C０級, D０級.
１．５ 金相檢驗
將金相試樣用４％(體積分數)硝酸酒精溶液浸 蝕后,在金相顯微鏡下觀察其顯微組織形貌,不同部 位在不同放大倍數下的顯微組織形貌如圖４所示. 蝸桿基體顯微組織主要為回火索氏體,按照 GB/T６３９４－２０１７«金屬平均晶粒度測定法»中氧化法,試樣 在８６０℃±１０℃加熱,保溫１h,后冷水中淬火,再拋 光,最后用１５％(體積分數)鹽酸乙醇溶液浸蝕,如 圖５所示,用對比法評定其晶粒度級別為９級.
在開裂蝸桿的裂紋處取樣,經４％(體積分數) 硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察,如圖６所示, 可見裂紋附近顯微組織為回火索氏體＋少量的鐵素 體,裂紋兩側有一層厚度約為２０μm 的白亮層.
１．６ 能譜分析
對裂紋兩側白亮層進行能譜(EDS)分析,分析 位置和分析結果如圖７所示,測得各元素的質量分 數 為９０．８％Fe,１．１８％Cr,０．８１％ Mn,０．２５％Si, ６．９８％N.可見氮元素的質量分數較高,初步判斷此 白亮層為滲氮層.
１．７ 硬度測試
按照 GB/T４３４０．１－２００９«金屬材料 維氏硬度試驗 第１部分:試驗方法»,采用 Q３０A 型全自動維 氏硬度計用０．４９N 載荷對裂紋表面白亮層進行顯 微硬度測試,測試打點位置如圖８所示,測試結果如 圖９所示,測得顯微硬度為８７６HV０．０５.通過硬度 測試結果進一步確認裂紋兩側表面白亮層為滲氮 層,從而可以判斷該裂紋產生于表面滲氮工藝之前.滲氮層的硬度變化趨勢如圖１０所示,可見表面硬度 較高接近８００HV０．０５,隨后硬度逐漸降低,距表面 ０．８ mm 后 硬 度 趨 于 穩 定,穩 定 后 的 硬 度 約 為 ３５０HV０．０５.
２ 分析與討論
開裂蝸桿基體及裂紋附近的夾雜物情況較好, 未發現明顯有害夾雜物,表明該蝸桿材料的潔凈度 較好.蝸桿基體顯微組織為回火索氏體,顯微組織 無明顯異常,從顯微組織可以判斷,蝸桿已完全淬 透,測得蝸桿調質后顯微組織的晶粒度為９級.上 述結果表明蝸桿調質熱處理工藝無異常.
裂紋兩側表面可見白亮層,厚度約為２０μm,由 硬度及能譜測試結果確認其為滲氮層,裂紋表面出現滲氮層可以判斷裂紋的產生是在滲氮工藝之前. 裂紋垂直方向硬度測試結果顯示,滲氮影響層厚度 約為０．８mm.蝸桿毛坯淬火態表面殘余應力測試 結果為拉應力,應力為３０５ MPa.蝸桿化學成分滿 足 GB/T３０７７－２０１５對４２CrMo鋼的成分要求,但 錳的質量分數在標準規定值的上限.錳質量分數高 會增加奧氏體相冷卻時的過冷度,降低鋼的淬火溫 度,并增大淬火應力,使淬裂的傾向變大.
從裂紋的宏、微觀形貌來看,裂紋起源于蝸桿毛 坯表面后往心部擴展,裂紋呈鋸齒狀,有沿晶開裂特 征,裂紋起始端較寬,末端裂紋呈細尖狀,主裂紋尾 端可見微裂紋存在,上述特征具有全淬透工件淬火 縱向裂紋的典型特征[２].綜上分析,此裂紋應該是 在調質熱處理工藝的淬火階段形成,而淬火應力過 大是導致該蝸桿淬火開裂的直接原因.
蝸桿毛坯淬火時從奧氏體化溫度急速冷卻會產 生熱應力,而在馬氏體轉變的起始溫度(Ms 溫度) 以下發生的馬氏體轉變則會產生相變應力.因此淬 火冷卻階段蝸桿毛坯所受的應力是熱應力與組織應 力的疊加應力,這兩種應力的相互作用使淬火應力 變得極其復雜[３Ｇ５].首先,淬火開始時先由熱應力起 主導作用.在淬火溫度開始冷卻的初始階段,蝸桿 的表層溫度會迅速降低,這時因熱脹冷縮效應,表面 發生體積收縮,而內部的溫度還較高,體積收縮不均 勻,表層產生壓應力,內部產生拉應力.在冷卻到馬 氏體開始相變溫度的過程中,組織未發生變化,只是 熱應力的變化.冷卻速度越快,材料中碳和合金元 素的質量分數越高,冷卻過程中產生的不均勻變形 就越大,殘余應力就會越大,但是在此過程中材料一 般不會產生裂紋.當冷卻到馬氏體相變溫度以下 時,原奧氏體相向馬氏體相轉變,比容增大,并且會 伴隨體積的膨脹.蝸桿表面先到達馬氏體轉變溫度 形成馬氏體,而心部轉變較滯后,后形成馬氏體時的 體積膨脹會受到表層的制約,這樣會使表層組織受 拉應力,心部受壓應力.
所以在淬火冷卻時,Ms 溫度以上僅存在熱應 力機制,而在 Ms 溫度以下兩種機制同時存在,但是 馬氏體相變引起的線膨脹量大于熱膨脹量約一個數 量級,所以 Ms 溫度以下組織應力機制會起主要作 用[６Ｇ８],表面殘余應力測試結果為３０５ MPa也證實 了以上 分 析. 縱 向 裂 紋 經 常 出 現 在 全 淬 透 構 件 上[９],這是因為全淬透構件相變應力較高,在表面容 易產生拉應力,并且對于圓柱件來說,切向應力會高于軸向應力.另外合金元素的質量分數越高,Ms 溫度越低,淬透性越好,馬氏體越細,比容越大引起 的組織應力就越大,所以構件會更容易發生開裂. 另外在低溫下材料的韌性沒有高溫時好,如果在較 低溫度時發生馬氏體轉變會更容易發生開裂.
一般裂紋都是在構件受拉應力情況下產生[１０]. 構件出現開裂其內部一定存在應力梯度,即應力集 中[１１].構件瞬時拉應力過大造成應力集中,當應力 超過其斷裂強度時,裂紋就會產生.隨著裂紋的產 生和擴展,冷卻油會沿裂紋進入構件的內部,則裂紋 附近也會產生較大的熱應力,從而在主裂紋附近形 成微裂紋并擴展[１２].
３ 結論及建議
該４２CrMo鋼蝸桿表面裂紋為淬火應力裂紋, 蝸桿材料中的錳的質量分數偏高以及淬火過程中熱 應力與組織應力疊加導致蝸桿沿軸線方向開裂.
建議蝸桿材料在熱處理時適當降低馬氏體轉變 階段的冷卻速率,從而降低相變應力引起的表面拉 應力;適當提高冷卻開始階段非相變溫度區間的冷 卻速率,提高熱應力用來抵消相變應力,降低表面的 拉應力;加強對機加工后蝸桿的質量檢查,避免帶有 裂紋的蝸桿進入裝配使用環節.
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