平衡軸承轂開裂分析

張鑫明，馮繼軍，盧柳林，劉 勝，顏 婧，汪秀秀

(東風(fēng)商用車有限公司 技術(shù)中心工藝研究所，武漢 430056)

平衡軸承轂開裂分析

張鑫明，馮繼軍，盧柳林，劉 勝，顏 婧，汪秀秀

(東風(fēng)商用車有限公司 技術(shù)中心工藝研究所，武漢 430056)

卡車上QT400平衡軸承轂在總裝入庫一段時(shí)間后開裂。通過對平衡軸承轂斷口及金相組織觀察，化學(xué)成分、拉伸性能及沖擊性能測試，確定了平衡軸承轂開裂的模式及產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：平衡軸承轂為一次性脆性開裂，在平衡軸承轂生產(chǎn)過程孕育劑添加過多導(dǎo)致平衡軸承轂硅含量過高，脆性較大是導(dǎo)致平衡軸承轂開裂的主要因素。通過嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程孕育劑添加量，使平衡軸承轂硅含量回到正常范圍，沖擊韌性明顯提高，由此解決了平衡軸承轂的脆性開裂問題。

QT400；平衡軸承轂；開裂；脆性；孕育劑

0 引言

平衡軸承轂一般配置在具有雙橋的卡車上，位于卡車的中、后橋之間，在板簧的中間段正下方通過U型螺栓與板簧固定在一起。平衡軸承轂與平衡軸支架一端連接，而平衡軸支架另一端與車架連接。車架受力的一部分通過平衡軸支架傳遞給平衡軸承轂，然后傳遞給板簧，最終傳遞到中后橋。平衡軸承轂的作用是將車架施加的力通過板簧均衡的分配給中、后橋。

QT400-15為鑄態(tài)高韌性球磨鑄鐵，基體組織中的鐵素體含量大于80%。在鑄態(tài)高韌性球磨鑄鐵中，硅是主要元素之一。硅可促進(jìn)石墨化，促進(jìn)鐵素體的形成，提高孕育效果[1]。硅在一定范圍內(nèi)對鐵素體具有顯著的強(qiáng)化作用，隨硅含量增加，球磨鑄鐵的強(qiáng)度增加，但塑性下降不明顯[2-3]。但當(dāng)硅含量超過一定值后，球磨鑄鐵的脆性明顯增加，這種現(xiàn)象稱為“硅脆”[4]。古可成等[5]指出，鐵素體球磨鑄鐵出現(xiàn)硅脆的臨界硅含量在3.3%左右，硅含量超過3.3%，球鐵開始變脆，隨硅含量進(jìn)一步增加，球鐵脆性增加，硅含量超過5%的球鐵是典型的脆性材料。對于硅脆的原因及機(jī)理，通常認(rèn)為是由晶格畸變[6]、硅的晶界偏析[7]和氫脆[8]引起。李秀珍等[9-10]采用X射線和透射電鏡等手段對鐵素體球墨鑄鐵中硅脆產(chǎn)生的原因及機(jī)理進(jìn)行了深入的分析認(rèn)為鐵素體基體的無序-有序轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致硅脆的根本原因，而硅的晶界偏析不是硅脆產(chǎn)生的根本原因。基于對球墨鑄鐵硅脆的認(rèn)識，本文對卡車平衡軸承轂的開裂原因進(jìn)行全面分析，找出開裂的原因并進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)對改進(jìn)后的效果進(jìn)行驗(yàn)證，為以后球墨鑄鐵的分析提供參考。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 檢測分析設(shè)備

采用日立SU-70掃描電鏡觀察平衡軸承轂斷口，牛津INCA X-max 53817能譜儀分析斷口析出相成分。使用蔡司Observer.Z1m金相顯微鏡觀察平衡軸承轂拋光后的球化率、石墨大小以及腐蝕后的金相組織。平衡軸承轂拉伸試驗(yàn)采用Zwick/Roell Z2501拉伸試驗(yàn)機(jī)測試，從零件本體取樣，由于結(jié)構(gòu)所限，只能截取2個(gè)拉伸試樣。沖擊試驗(yàn)采用Zwick/Roell RKP450沖擊試驗(yàn)機(jī)測試，從平衡軸承轂截取3個(gè)試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，預(yù)制V型缺口。

1.2 開裂平衡軸承轂斷口分析

開裂平衡軸承轂外觀如圖1a，材料牌號為QT400-15，開裂位置在圖中用箭頭標(biāo)出，可見兩條裂紋(編號A、B)。裂紋A擴(kuò)展深度約3 cm，裂紋B已完全裂開，將圖1a裂紋打開，裂紋右側(cè)部分?jǐn)嗫谌鐖D1b(裂紋A、B打開后的斷口分別編號為斷口A、B)，可見斷口不同程度氧化生銹，整體比較粗糙，起伏不平，圖中箭頭所示為開裂起源區(qū)。由斷口宏觀形貌及平衡軸承轂總裝入庫后開裂的情況認(rèn)為平衡軸承轂一次性開裂可能性較大。圖1b中斷口A、B開裂模式相同，主要對斷口B進(jìn)行分析。將斷口B清洗后放到掃描電鏡中觀察，整個(gè)斷口以解理形貌為主，局部有沿晶特征(圖2a)。進(jìn)一步放大，可在有些沿晶開裂的晶面上觀察到較多析出相(圖2b)。通過對晶面析出相進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)析出相主要分為兩類：一類主要含有Ti、V、Fe、Nb、C等元素；一類主要含有Ce、Fe、O、P、As、Mg等元素。斷口觀察顯示斷口B為脆性斷口，可以確定平衡軸承轂為一次性脆性開裂。在斷口B沿晶開裂晶面觀察到的較多析出相，尤其是含有P、As的析出相會弱化晶界，但析出相是否是導(dǎo)致平衡軸承轂脆性開裂的主因還需進(jìn)一步分析。

圖1 平衡軸承轂Fig.1 Balance bearing hub

1.3 化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相組織分析

平衡軸承轂在生產(chǎn)中化學(xué)成分要求及實(shí)測值如表1，可見平衡軸承轂硅含量明顯偏高，其他元素含量未見異常。平衡軸承轂拉伸性能如表2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。平衡軸承轂金相組織評級如表3，其拋光后金相組織如圖3a，球化分級為4級，即球化率為70%，石墨大小分級為6級，即實(shí)際石墨大小在0.03～0.06 mm。平衡軸承轂腐蝕后金相組織如圖3b，為全鐵素體。平衡軸承轂中碳化物也未超過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。將平衡軸承轂腐蝕后金相組織放大觀察，在有些鐵素體晶界確實(shí)可以看到較多沿晶的析出相(圖4)。表3結(jié)果顯示，平衡軸承轂金相組織滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為了對開裂的平衡軸承轂脆性進(jìn)行評價(jià)，從平衡軸承轂截取3個(gè)沖擊試樣，3次測得平衡軸承轂沖擊強(qiáng)度值分別為4.70、4.80、4.84 J/cm2。雖然技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并未對平衡軸承轂沖擊強(qiáng)度值進(jìn)行規(guī)定，但平衡軸承轂沖擊強(qiáng)度值明顯較低，說明平衡軸承轂脆性較高。

圖2 斷口B微觀形貌Fig.2 Microscopic morphology of fracture B

表1 平衡軸承轂化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition of balance bearing hub (mass fraction /%)

表2 平衡軸承轂拉伸性能Table 2 Tensile property of balance bearing hub

表3 平衡軸承轂金相組織評級Table 3 Rating on metallographic structure of balance bearing hub

圖3 平衡軸承轂金相組織Fig.3 Metallographic structure of balance bearing hub

2 分析與討論

對平衡軸承轂斷口進(jìn)行的宏觀及微觀分析認(rèn)為平衡軸承轂為一次性開裂，斷口的解理+沿晶形貌說明平衡軸承轂具有一定的脆性，沖擊韌性測試顯示平衡軸承轂脆性確實(shí)較大。取沖擊試驗(yàn)后的斷口進(jìn)行觀察，整個(gè)斷口約有80%的區(qū)域?yàn)榻饫?沿晶形貌，而余下的區(qū)域可見韌窩形貌。金相組織評級中平衡軸承轂的球化率、石墨大小、珠光體及碳化物含量均未見異常。在局部鐵素體晶界存在的較多析出相在一定程度上可以弱化晶界，但并不足已使平衡軸承轂呈現(xiàn)出較大的脆性。

圖4 平衡軸承轂晶界析出相Fig.4 Precipitate phases on grain boundaries of balance bearing hub

平衡軸承轂化學(xué)成分測試結(jié)果中，硅含量達(dá)到3.84%，基體為純鐵素體。平衡軸承轂硅含量超過3.3%的硅脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)，但沖擊強(qiáng)度明顯比文獻(xiàn)[5]中含硅4.0%的純鐵素體基體球墨鑄鐵(球化2級)的沖擊強(qiáng)度(28～38 J/cm2)還要低，這里不能忽略球化率的影響。常溫下，球磨鑄鐵球化率越高，則其沖擊韌性越好[11]。平衡軸承轂的球化率雖然滿足生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，卻只有70%，這對平衡軸承轂的韌性也很不利。分析認(rèn)為平衡軸承轂硅含量過高是生產(chǎn)的孕育過程FeSi75添加過多導(dǎo)致。

3 改進(jìn)后情況及效果

對平衡軸承轂生產(chǎn)的工藝過程進(jìn)行調(diào)查分析，在孕育過程嚴(yán)格控制孕育劑FeSi75的添加量。從改進(jìn)后的平衡軸承轂取樣，化學(xué)方法測得硅含量為2.64%，拋光后金相組織如圖5a，石墨球化4級，石墨大小6級，腐蝕后基體仍為純鐵素體(圖5b)，在鐵素體局部晶界可見較多析出相(圖6)。沖擊試驗(yàn)3次測得改進(jìn)后的平衡軸承轂沖擊強(qiáng)度分別為21.84、22.26、22.62 J/cm2。取沖擊試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行斷口觀察，如圖7，斷口80%的區(qū)域?yàn)轫g窩區(qū)，余下的區(qū)域?yàn)榻饫?韌窩，未見沿晶形貌。斷口觀察與沖擊強(qiáng)度數(shù)據(jù)一致，這說明平衡軸承轂硅含量降低后，沖擊強(qiáng)度提高，脆性降低。而鐵素體局部晶界的析出相在改進(jìn)前后的平衡軸承轂中都可觀察到，這說明鐵素體晶界的析出相對平衡軸承轂的韌性影響并不大。改進(jìn)后未見平衡軸承轂的脆性開裂情況。

圖5 改進(jìn)后平衡軸承轂金相組織Fig.5 Metallographic structure of balance bearing hub after improving

圖6 改進(jìn)后平衡軸承轂晶界析出相

圖7 改進(jìn)后平衡軸承轂斷口微觀形貌

4 結(jié)論

1)平衡軸承轂為一次性脆性開裂。

2)開裂平衡軸承轂金相組織未見異常，在生產(chǎn)的孕育過程FeSi75添加過多導(dǎo)致平衡軸承轂硅含量過高，脆性較大是導(dǎo)致開裂的主要因素。

3)改進(jìn)后的平衡軸承轂硅含量滿足要求，沖擊強(qiáng)度明顯提高，沖擊斷口也呈現(xiàn)塑性斷裂特征，效果良好。

4)平衡軸承轂局部鐵素體晶界的析出相對平衡軸承轂的韌性影響不大。

[1] 孟超,馬軍濤. 鑄態(tài)QT450-15 高韌性球墨鑄鐵的生產(chǎn)[J]. 金屬鑄鍛焊技術(shù),2008,37(9):106-107.

[2] 曾大新,何漢軍,張?jiān)?等. 鑄態(tài)高強(qiáng)度高伸長率球墨鑄鐵研究進(jìn)展[J]. 鑄造,2017,66(1):38-43.

[3] 李傳栻. 硅在鑄鐵中的固溶強(qiáng)化作用[J]. 金屬加工:熱加工,2015(1):73-77.

[4] 古可成,顧玉娜,李義堯,等. 硅系耐熱球鐵的脆性研究[J]. 鋼鐵,2001,36(1):56-59.

[5] 古可成,張哲. 關(guān)于含3.3%Si球墨鑄鐵出現(xiàn)脆性的認(rèn)識[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(5):377-379.

[6] 古可成,孫正英,劉大慶,等. 從晶格常數(shù)看硅系鑄鐵的脆性[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994(3):32-36.

[7] 張博. 硅含量偏高對鐵素體球鐵使用性能的影響[J]. 鑄造技術(shù),2007,28(5):593-596.

[8] 古可成,陳晶,楊俊豪,等. 石墨/基體界面處的氫與中硅耐熱球鐵脆性[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(2):96-99.

[9] 李秀真,劉太強(qiáng),于化順,等. 鐵-碳-硅合金的硅脆機(jī)理探討[J]. 鑄造,1997(8):16-20.

[10] 李秀真,劉太強(qiáng). 鐵-碳-硅合金的硅脆與硅的偏析[J]. 鑄造,1997(4):15-18.

[11] 張建振,吳曉濤,劉兆英,等. 淺析硅固溶強(qiáng)化球墨鑄鐵及其應(yīng)用前景[J]. 汽車工藝與材料,2014(3):58-63.

CrackingAnalysisofBalanceBearingHub

ZHANG Xin-ming，F(xiàn)ENG Ji-jun，LU Liu-lin，LIU Sheng，YAN Jin，WANG Xiu-xiu

(MaterialsandTechnologyResearchInstitute,TechnicalCenterofDongFengCommercialVehicleCompanyLimited,Wuhan430056,China)

The balance bearing hub of a truck cracked at storage time after final assembly. To make sure the mode and causes of the cracking, the chemical component of balance bearing hub was tested. The fracture and microstructure of balance bearing hub were observed and the tensile property and impact property of balance bearing hub were also tested. The results indicate that the cracking mode of balance bearing hub is one-time brittle crack. The excessive addition of nucleating agent at productive process leads to high level of silicon content and large brittleness, which is the main factor of the cracking of balance bearing hub. Therefore we control strictly the addition of nucleating agent to limit the silicon content at balance bearing hub and the impact toughness improves obviously. We solve the brittle crack of balance bearing hub finally.

QT400；balance bearing hub；crack；brittleness；nucleating agent

2017年8月15日

2017年10月1日

張鑫明(1986年-)，男，碩士，工程師，主要從事汽車金屬材料金相與失效分析方面的研究。

TG115.21

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.010

1673-6214(2017)05-0314-05