摘 要:某型号铝合金压铸机上42CrMoA 调质钢拉杆在使用2a后发生断裂。对其加工质量、 化学成分、力学性能、显微组织和断口形貌等进行检验,分析了该拉杆断裂的原因。结果表明:脱模 剂渗漏引发拉杆螺纹表面腐蚀,导致其过早地发生了腐蚀疲劳断裂。
关键词:压铸机;42CrMoA 钢;拉杆;腐蚀;疲劳断裂
拉杆是压铸机的重要承载零件,其易受交变应 力作用而发生早期断裂。某铝合金压铸机拉杆的材 料为42CrMoA 钢,采用调质热处理,使用2a后其 头部螺纹处发生断裂,部分拉杆断于其配套的悬置 螺母中,拉杆断裂位置及局部结构如图1所示。笔 者通过 一 系 列 的 理 化 检 验 分 析了该拉杆的断裂原因。
1 理化检验
1.1 宏观观察
该型压铸机的水溶性脱模剂采用了自动喷淋的 方式,脱模剂管道分布在拉杆螺纹段上方且存在渗 漏现象(见图 2)。断裂拉杆的宏观形貌如图 3 所 示。由图3可知:拉杆断口氧化严重,疲劳断裂特征明显,其由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区3个部分组成[1],存在多个疲劳源,螺纹表面存在深浅不一的 孔洞。
1.2 螺纹加工质量测试
取拉杆完整螺纹段,清洗后观察远离断口侧的螺纹底部加工质量,并采用轮廓仪测量螺纹尺寸,结 果显示螺纹表面粗糙度小,且加工尺寸符合技术要 求(见图4)。
1.3 化学成分分析
在拉杆疲劳源附近取样,采用 LABM12型直读 光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示。由表 1可 知:拉 杆 的 化 学 成 分 符 合 GB/T3077—2015 《合金结构钢》对42CrMoA 钢的技术要求。
1.4 金相检验
在拉杆疲劳源附近取样,经打磨、抛光后,采用 GX71型光学显微镜观察拉杆中纵向夹杂物,检验 结果如图5a)所示。根据 GB/T10561—2005《钢中 非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验方 法》,判定断裂拉杆中 A 类(硫化物类)夹杂物为0.5 级,无其他夹杂物。
在拉 杆 断 口 附 近 横 截 面 处 取 样,根 据 GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验方法》进 行热酸蚀试验,观察其低倍组织形貌[见图5b)],根 据 GB/T1979—2001 《结 构 钢 低 倍 组 织 缺 陷 评 级 图》对其评级,结果如表2所示。
在拉杆主断面附近螺纹处发现多个螺纹均存在 萌生于螺纹底部腐蚀坑的微裂纹,且每个螺纹均存 在多个腐蚀坑。在断口疲劳源附近取样,经打磨、抛 光后,采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀后, 用 GX71型倒置式显微镜观察显微组织,发现拉杆 疲劳源处组织为回火索氏体+粒状贝氏体+微量铁 素体(见图6)。
1.5 力学性能测试
在拉杆螺纹段距外圆面R/3(25mm)处纵向取 拉伸和 V 型冲击试样,根据 GB/T228.1—2010 《金 属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》和 GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》,分别 采用 MTSC45.305型微机控制电子万能试验机和 ZBC2302-D型摆锤式冲击试验机进行拉伸和冲击试 验,结果如表3所示。由表3可知,拉杆的力学性能 符合企标 QHTJ102-2018《金属材料通用技术标准 第一部分》中对42CrMoA钢的要求。
1.6 断口分析
将拉杆断口清洗并吹干后,置于JSM-6510A 型扫描电镜(SEM)下观察,可以看到拉杆疲劳裂纹萌 生于螺纹底部连续腐蚀坑位置[见图7a)],图7b)为 疲劳裂纹扩展区的疲劳条带微观形貌。结合宏观特 征,判断该拉杆断裂模式为裂纹萌生于螺纹底部腐 蚀坑的多源疲劳断裂。对腐蚀坑内的腐蚀产物进行 能谱(EDS)分析,发现其主要成分为含有合金元素 的氧化物(见图8)。
2 综合分析
根据上述理化检验结果可知:拉杆的螺纹尺寸、 显微组织及力学性能均符合相关标准要求。宏观观 察发现拉杆断口的疲劳裂纹源位于拉杆螺纹底部, 呈多源疲劳特征,且螺纹底部布满大小、深浅不一的 腐蚀坑。拉杆因承受应力过大,或表面存在缺陷会 产生应力集中,其疲劳断口呈低周疲劳断裂特征,存 在多个疲劳源[2-3],多源疲劳相互交接后在疲劳源区 形成疲劳台阶[4-5]。拉杆螺纹本身由于尺寸因素会 产 生较大的应力集中,拉杆底部腐蚀缺陷加剧了应力集中的程度和范围,因此在服役过程中产生多源 疲劳,疲 劳 台 阶 几 乎 占 据 了 断 口 的 1/2外 圆 弧。 EDS分析结果显示疲劳源处腐蚀坑表面的腐蚀产 物主要为含有合金元素的氧化物,这与拉杆中所用 的水溶性脱模剂成分相吻合。该型拉杆所使用的是 水性脱模剂,以1∶200(体积比)兑水后作为喷淋溶 液,因其配方中缺少防锈缓蚀剂,故脱模剂无法在拉 杆表面形成保护膜,又因脱模剂的渗漏,使得拉杆长 期暴露于潮湿的环境中,表面易锈蚀。铁锈是一种 疏松的沉积物,并不紧附于拉杆表面,不能阻止水、 腐蚀气体等的通过,反而更能吸附水、腐蚀气体,使 得电化学腐蚀不断地进行。综合以上原因,拉杆在 交变应力作用下,在潮湿、温度较高(30 ℃)的环境 下服役,拉杆螺纹底部出现了大量大小不一的腐蚀 坑。持续高温、潮湿的环境导致腐蚀坑数量不断增 加,尺寸不断扩大,进而使拉杆疲劳裂纹不断萌生并扩展,最终拉杆发生了早期疲劳断裂。
3 结论及建议
该压铸机拉杆在高温、潮湿环境中发生了早期 腐蚀疲劳断裂。脱模剂渗漏导致拉杆长期处于高 温、潮湿环境中并形成腐蚀坑,在循环应力的作用下 腐蚀坑底部萌生裂纹并扩展,最终导致拉杆发生早 期疲劳断裂。
建议对拉 杆 螺 母 位 置 做 好 防 护 措 施,或 做 好 脱模剂自动 喷 淋 装 置 的 防 渗 漏 工 作,防 止 拉 杆 及 螺母因腐蚀而引发早期疲劳断裂;此外,可对拉杆 螺纹进行喷 丸 或 滚 压 等 强 化 处 理,提 高 其 抗 疲 劳 断裂能力。
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