ZG35CrMoRE曲軸斷裂原因分析

張永鈮 馬雪玲

(中國二重大型鑄鍛件研究所，四川618013)

材質(zhì)為ZG35CrMoRE的一批空心曲軸鑄件毛坯，經(jīng)機(jī)械加工、裝配交付使用1年后，其中有兩件空心曲軸發(fā)生早期斷裂。為了查明空心曲軸斷裂的原因，對斷裂的空心曲軸斷頭部分進(jìn)行了斷口分析以及低倍、高倍金相試驗(yàn)。通過對裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展與早期破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出了斷裂的主要原因和存在的工藝問題。

1 ZG35CrMoRE曲軸的斷裂情況

材質(zhì)為ZG35CrMoRE的空心曲軸是鉆井泵上的一個主要傳動部件，長1 720 mm。該空心曲軸有偏心曲拐，整體鑄造后進(jìn)行機(jī)械加工，最后裝配使用。在使用一年后發(fā)生早期斷裂，其斷裂部位在空心曲軸靠近大輪端的軸頸過渡處，見圖1左端。

2 試驗(yàn)分析

首先，將斷裂曲軸的斷口進(jìn)行清洗，對斷口相對兩個斷面進(jìn)行宏觀斷口分析；然后在斷口(軸頸過渡區(qū))兩頭分別取縱向、橫向低倍試片進(jìn)行低倍分析；再從縱向低倍試片上分別取樣進(jìn)行高倍金相分析研究以及相應(yīng)的化學(xué)成分分析和硬度試驗(yàn)。其取樣圖見圖2。

圖1 斷裂后空心曲軸外貌Figure 1 The appearance of hollow crankshaft rupture

2.1 宏觀斷口分析

斷裂空心曲軸的斷口經(jīng)清洗后用肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于空心曲軸軸承部位的軸頸過渡處，其宏觀形貌見圖3。仔細(xì)觀察斷口截面由三部分組成，首先在斷口的外圈，有一層厚度約2 mm殼體，其斷口形貌為棱線狀(鋸齒狀)。從外圈向內(nèi)斷口為較光滑而平坦區(qū)域，約占斷口總面積的1/4。內(nèi)圈斷口其余3/4部分呈現(xiàn)凹凸不平，為較粗糙的瞬斷區(qū)。

2.2 低倍試驗(yàn)

將切取的縱向、橫向兩低倍試片酸洗后觀察，發(fā)現(xiàn)橫向低倍上有許多縮松小孔洞，有些小孔洞似連接成“小裂紋”，整個試片的基體基本一致，邊緣即在外圈也未看到堆焊層，見圖4。從縱向低倍兩片的各一側(cè)邊緣看，均有一層厚約2 mm的堆焊層帶，而且在靠近斷口處的焊層最厚，約5 mm，堆焊層酸洗后顯示不相同的組織。從縱向低倍的側(cè)面(即曲軸的外圓周面)觀察，發(fā)現(xiàn)堆焊層正是沿軸向覆蓋側(cè)表面，在接近斷口附近(即軸頸圓柱與過渡錐體之間)還存在二次補(bǔ)焊痕跡，見圖5。

圖2 曲軸斷頭取樣示意圖Figure 2 The schematic of hollow crankshaft break end

圖3 斷口宏觀全貌Figure 3 The appearance of hollow crankshaft break

圖4 橫向低倍組織局部放大Figure 4 The landscape orientation macroscopic structure

2.3 高倍金相分析

從斷裂源處(縱向低倍試片上)取的高倍試樣沿縱向磨制，在未經(jīng)腐蝕情況下觀察，發(fā)現(xiàn)試樣邊緣即軸頸外圈，在靠近斷口附近有大小不一的數(shù)條裂紋。見圖6、圖7。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，發(fā)現(xiàn)試樣邊緣(即曲軸的外圈)有兩層堆焊組織，因斷裂變形外圓不平整，見圖8。其金相組織分析：第一層堆焊組織為鐵素體+索氏體，第一層熱影響區(qū)組織為鐵素體+索氏體；第二層組織明顯與第一層堆焊組織不同，認(rèn)為是不同的焊材焊補(bǔ)的。第二層堆焊過渡區(qū)組織為貝氏體。而曲軸基體組織為珠光體+鐵素體+魏氏組織。除第二層局部補(bǔ)焊層外其他部位的顯微組織見圖9～圖12。裂紋的頭部起源于第一層堆焊區(qū)域，穿過堆焊層，向基體擴(kuò)展；另外兩條小裂紋也產(chǎn)生于堆焊層和堆焊過渡區(qū)中。

圖5 縱向低倍試片二次補(bǔ)焊區(qū)Figure 5 The long direction macroscopic test piece in secondary repair welding area

圖6 大裂紋形貌(未經(jīng)腐蝕) ×50Figure 6 The crack appearance

圖7 小裂紋形貌(未經(jīng)腐蝕) ×50 圖8 腐蝕后焊接宏觀形貌 Figure 7 The crack appearance (un-etched) Figure 8 The macroscopic appearance after etched

圖9 第一層堆焊組織 ×500 圖10 第一層熱影響區(qū)組織 ×500 Figure 9 The first repair welding layer structure Figure 10 The first layer heat affected area structure

圖11 第二層過渡區(qū)組織 ×500 圖12 基體組織 ×500Figure 11 The secondary layer transition zone structure Figure 12 The matrix structure

2.4 硬度試驗(yàn)

對高倍試樣的心部和外側(cè)堆焊層區(qū)域分別進(jìn)行硬度檢驗(yàn)?；w硬度為209HBS，堆焊層硬度為255HBS，堆焊層硬度略高于基體硬度。

2.5 化學(xué)成分分析

對曲軸軸頸部位基體和堆焊層分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。

曲軸基體的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但堆焊層的化學(xué)成分中C、Si、Mo元素均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在靠近斷口處二次補(bǔ)焊材質(zhì)的化學(xué)成分未取樣分析。

表1 曲軸軸頸部位化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The shaft neck chemical composition (mass faction，%)

3 討論

3.1 在空心曲軸軸承部位有比較均勻的堆焊層，并且在接近大頭的過渡段(不包括過渡的圓錐體表面)有二次補(bǔ)焊痕跡，因此認(rèn)為該空心曲軸軸承部位外圓是堆焊層，而不是鑄造缺陷的補(bǔ)焊。根據(jù)堆焊層上的硬度比基體高，大致判斷該堆焊層冷速快，也未進(jìn)行消應(yīng)處理。局部的二次補(bǔ)焊后在過渡區(qū)組織甚至出現(xiàn)貝氏體。

3.2 宏觀斷口、低倍和高倍的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在空心曲軸鑄件靠近大輪端軸承部位除有約2 mm的堆焊層外，在軸頸接近過渡錐體處進(jìn)行了再次補(bǔ)焊且與第一次堆焊重疊，其材質(zhì)特殊，但不連續(xù)分布。據(jù)此認(rèn)為焊接時產(chǎn)生了較大的焊接殘余應(yīng)力，又未進(jìn)行適當(dāng)處理，從而引發(fā)了焊接裂紋。由試驗(yàn)證實(shí)在堆焊層內(nèi)有較多的焊接裂紋，這是絕對不允許的嚴(yán)重缺陷，通?？梢酝ㄟ^無損探傷確定部位，并采取消除裂紋隱患的措施。

3.3 該曲軸采用ZG35CrMoRE鑄造成形且為空心鑄件，本身硬度要求不高，但由于基體組織存在一些縮松小孔洞和魏氏組織缺陷，降低了材料的力學(xué)性能。當(dāng)軸頸堆焊層存在初始裂紋時，在偏心載荷工作應(yīng)力下促進(jìn)該處的焊接裂紋率先擴(kuò)展直到空心曲軸失穩(wěn)，造成最后瞬時斷裂。

3.4 從宏觀斷口的試驗(yàn)結(jié)果來看，斷裂起源于空心曲軸軸承的軸頸堆焊層并接近斜面過渡區(qū)。斷裂源為多源線性分布，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)僅占整個斷裂面積的1/4，而瞬斷區(qū)占整個斷口總面積的3/4。另據(jù)介紹曲軸的轉(zhuǎn)速很低，因而可以認(rèn)為該曲軸斷裂是典型的高應(yīng)力低周疲勞斷裂。

3.5 該空心曲軸鑄件雖存在一些鑄造缺陷，但不是產(chǎn)生疲勞斷裂的主要原因。軸承部位堆焊層的焊接裂紋才是產(chǎn)生疲勞斷裂的主要原因。其次，曲軸鑄件也應(yīng)采取合適的熱處理工藝避免形成魏氏組織。

4 結(jié)論

該空心曲軸鑄件產(chǎn)生斷裂的性質(zhì)是：高應(yīng)力低周疲勞斷裂。產(chǎn)生斷裂的主要原因是：空心曲軸軸承部位在堆焊或補(bǔ)焊后產(chǎn)生的焊接裂紋所致，其次鑄件中存在的不合理組織缺陷也降低了材料的力學(xué)性能。