316L不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)斷裂原因分析

于鳳云,李春艷,趙 悅,鄒龍江,王偉強(qiáng)

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,大連 116024)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成為日常生活的重要用品之一。作為汽車(chē)系統(tǒng)“三大件”之一的變速箱，是協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車(chē)輪的實(shí)際行駛速度一致的關(guān)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(guān)。變速箱油液污染會(huì)加速變速箱內(nèi)部齒輪等零部件的磨損，降低變速箱內(nèi)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(zhì)會(huì)損傷零部件配合間隙面，產(chǎn)生油液泄露隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)類(lèi)零部件的運(yùn)行卡滯，甚至卡死，進(jìn)而造成整車(chē)性能下降甚至發(fā)生安全事故[1-2]。變速箱濾網(wǎng)是一種安裝在變速箱內(nèi)的過(guò)濾裝置，用于過(guò)濾變速箱內(nèi)的潤(rùn)滑油液，起到保護(hù)變速箱、增強(qiáng)其服役可靠性的作用。過(guò)濾網(wǎng)在擋位切換時(shí)要經(jīng)受油液的反復(fù)沖刷，長(zhǎng)期承受著交變載荷；同時(shí),由于油液對(duì)過(guò)濾網(wǎng)的侵蝕，進(jìn)一步增加了過(guò)濾網(wǎng)產(chǎn)生故障的幾率。

某公司變速箱產(chǎn)品中使用的316L不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)，在服役期間出現(xiàn)了多處裂紋，并發(fā)生了斷裂。筆者對(duì)斷裂的過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析,為企業(yè)對(duì)過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

變速箱過(guò)濾網(wǎng)產(chǎn)品所用金屬網(wǎng)是采購(gòu)的成品316L不銹鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)絲直徑50 μm，該絲網(wǎng)通過(guò)機(jī)械編織而成。變速箱過(guò)濾網(wǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)通過(guò)模具注塑工藝實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，316L不銹鋼絲網(wǎng)裝夾于定、動(dòng)模主鑲件之間，上下主鑲件之間預(yù)留有產(chǎn)品筋位成型區(qū)域，熔融塑料注入并填充該區(qū)域，冷卻成型后形成聚合物邊框。為避免熔融塑料進(jìn)入網(wǎng)布工作區(qū)間，上下模具在筋位附近設(shè)置了0.01～0.03 mm的預(yù)壓緊。

圖1 變速箱過(guò)濾網(wǎng)制造過(guò)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(guò)濾網(wǎng)使用中經(jīng)歷油液交變沖刷后產(chǎn)生多處斷裂，如圖2所示。變速箱過(guò)濾網(wǎng)斷裂呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：斷裂位置均位于靠近聚合物邊框處；斷裂多發(fā)生于網(wǎng)絲交叉處；過(guò)濾網(wǎng)斷口表面可發(fā)現(xiàn)明顯的軋制變形痕跡。由此推斷，過(guò)濾網(wǎng)斷裂可能與集成過(guò)程中的軋制操作有關(guān)。

圖2 斷裂過(guò)濾網(wǎng)的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured strainer screen

1.2 斷口分析

變速箱過(guò)濾網(wǎng)斷裂主要發(fā)生于靠近聚合物邊框的網(wǎng)絲交叉處，少部分?jǐn)嗔寻l(fā)生于遠(yuǎn)離聚合物框的絲網(wǎng)中部。采用JXA-8530F plus型場(chǎng)發(fā)射電子探針觀察過(guò)濾網(wǎng)網(wǎng)絲斷口，如圖3所示?？拷酆衔镞吙蛱幍慕饘俳z網(wǎng)受軋制固定影響，網(wǎng)絲交叉處產(chǎn)生明顯的壓扁變形，軋制表面有孔洞存在。過(guò)濾網(wǎng)網(wǎng)絲斷裂位于最大彎曲變形處，斷口呈現(xiàn)出典型的疲勞斷裂特征[3]。網(wǎng)絲在交叉處軋制變形量最大，最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞源[4]。疲勞開(kāi)裂從疲勞源向內(nèi)部擴(kuò)展，形成疲勞擴(kuò)展區(qū),在疲勞擴(kuò)展區(qū)里可見(jiàn)明顯的疲勞輝紋。而在遠(yuǎn)離聚合物邊框的網(wǎng)絲斷裂處，由于此處受軋制影響較小，網(wǎng)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(guò)濾網(wǎng)網(wǎng)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(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的化學(xué)成分如表1所示?？梢?jiàn)疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)硫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均很低(<0.1%)，表明斷口中無(wú)硫化物存在，排除了硫化物夾雜以及金屬網(wǎng)絲與油液反應(yīng)生成硫化物導(dǎo)致網(wǎng)絲斷裂的可能。

表1 過(guò)濾網(wǎng)網(wǎng)絲微區(qū)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the strainer screen wire in micro region (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)及元素分布分析

在遠(yuǎn)離斷裂處的完好網(wǎng)絲上截取試樣，通過(guò)鑲嵌、包埋、保護(hù)試樣邊緣并對(duì)試樣進(jìn)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?？梢?jiàn)金屬網(wǎng)絲橫、縱截面的晶粒為等軸晶，晶粒尺寸約5m，編織的網(wǎng)絲在交叉處因軋制工藝變得扁圓。對(duì)網(wǎng)絲邊緣進(jìn)行放大觀察，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。在部分網(wǎng)絲橫截面上可見(jiàn)少量的微裂紋，縱截面上可以看到較多的平行于網(wǎng)絲長(zhǎng)度方向的拉絲劃痕。這些表面缺陷有可能成為網(wǎng)絲斷裂的起源。

網(wǎng)絲表面劃痕處電子探針元素面分布如圖5所示?？梢?jiàn)劃痕處未發(fā)現(xiàn)明顯的元素偏聚，劃痕處元素種類(lèi)及其含量與其他部位基本一致，說(shuō)明此缺陷確為拉絲編織過(guò)程中產(chǎn)生的劃痕，而不是網(wǎng)絲內(nèi)部的條形夾雜物。在絲網(wǎng)交叉位置取樣進(jìn)行電子探針元素面分析，如圖6所示，可見(jiàn)金屬網(wǎng)絲內(nèi)部成分均勻，不存在明顯的宏觀偏析。

圖4 網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(yuǎn)離斷裂處的網(wǎng)絲上截取試樣，通過(guò)Gatan 685型氬離子拋光儀對(duì)網(wǎng)絲表面進(jìn)行離子束切割拋光，使用JXA-8530F Plus型場(chǎng)發(fā)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(wǎng)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(wǎng)在油液交變沖刷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絲斷裂。在網(wǎng)絲交叉處發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絲近表面內(nèi)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(jié)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(zhì)相，在交變應(yīng)力作用下，夾雜物與周?chē)w對(duì)外力作用的響應(yīng)不同步，誘發(fā)局部應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋源[4-6]。網(wǎng)絲表面大缺陷由于反復(fù)拉拔使缺陷側(cè)面倒塌(即向內(nèi)卷入)產(chǎn)生明顯的折疊缺陷，該折疊缺陷在外力作用下產(chǎn)生剝離[7]。

圖7 網(wǎng)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(wǎng)絲內(nèi)部大顆粒夾雜物微觀形貌及化學(xué)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(yàn)結(jié)果可知，過(guò)濾網(wǎng)絲基體的顯微組織和成分正常，未見(jiàn)晶界腐蝕現(xiàn)象，所以排除由于耐蝕性降低導(dǎo)致的腐蝕疲勞斷裂。但過(guò)濾網(wǎng)絲中出現(xiàn)的硬質(zhì)冶金夾雜(顆粒)如若出現(xiàn)在絲材表面或淺表層也有誘發(fā)絲材疲勞斷裂的可能。過(guò)濾絲網(wǎng)在編制集成過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)軋制工藝，使得網(wǎng)絲在軋制處變形量較大，如若后續(xù)處理工藝對(duì)該處殘余應(yīng)力去除不徹底，則該處會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中成為疲勞裂紋萌生的源頭[4-5]。

網(wǎng)絲疲勞斷裂在網(wǎng)絲交叉(彎曲變形)處產(chǎn)生，部分?jǐn)嗫谔幠軌蛴^察到明顯的塑性變形，有的仍保持基本的圓形。結(jié)合其網(wǎng)絲近表層剝離觀察結(jié)果可知，斷口截面仍保持圓形的網(wǎng)絲，其疲勞裂紋的萌生應(yīng)與表面缺陷有關(guān)，此類(lèi)表面缺陷(分層、劃痕)的產(chǎn)生與拔絲工藝有關(guān)。斷口截面變成扁圓形的絲網(wǎng)，其疲勞裂紋的萌生應(yīng)既與殘余應(yīng)力有關(guān)，又與表面缺陷有關(guān)。

3 結(jié)論及建議

該316L不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)的斷裂模式為疲勞斷裂。網(wǎng)絲在拉拔工藝中表面產(chǎn)生了分層、劃痕及其近表面的硬質(zhì)夾雜顆粒等缺陷，集成制網(wǎng)時(shí)在網(wǎng)絲交叉處產(chǎn)生了加工硬化，在二者的共同作用下導(dǎo)致過(guò)濾網(wǎng)在使用中產(chǎn)生疲勞斷裂。

建議在制備過(guò)濾網(wǎng)絲時(shí)，選材要保證材料質(zhì)量符合要求，另外在集成過(guò)濾網(wǎng)制備工藝中應(yīng)盡量避免或者消除軋制工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。