大型拖拉機(jī)內(nèi)提升臂斷裂失效分析及熱處理工藝

任樹(shù)林，馬星明，郝飛斐，張國(guó)毅

山西利民工業(yè)有限責(zé)任公司 山西太谷 030812

1 序言

內(nèi)提升臂是我公司為約翰·迪爾（天津）有限公司試制生產(chǎn)的90～120馬力（1馬力=0.735kW）APOLLO拖拉機(jī)提升器總成的重要零部件，如圖1所示。內(nèi)提升臂的技術(shù)要求：材料為42CrMo鋼，熱處理工藝為滲碳+直接淬火，滲碳層深度為0.89+0.25-0.13mm，F(xiàn)段硬度為50～55HRC，H段硬度為38～55HRC，G段硬度為38～45HRC，D段硬度為60～62HRC。

圖1 內(nèi)提升臂示意

拖拉機(jī)提升器和連接的大型農(nóng)機(jī)具共同完成田間作業(yè)。內(nèi)提升臂在提升器總成內(nèi)工作、受力狀態(tài)是非常惡劣復(fù)雜的，因此對(duì)內(nèi)提升臂的性能、質(zhì)量要求非常高。在產(chǎn)品試制前期，拖拉機(jī)在田間作業(yè)幾十小時(shí)，出現(xiàn)內(nèi)提升臂斷裂，造成提升器無(wú)法工作。

2 內(nèi)提升臂斷裂失效分析

選取其中一件斷裂的內(nèi)提升臂：此件使用僅90h即發(fā)生橫向斷裂，如圖2所示。

圖2 內(nèi)提升臂斷裂部位宏觀形貌

2.1 宏觀斷口形貌觀察

從圖2可以看出，開(kāi)裂源位于箭頭所指的內(nèi)花鍵齒根部，其中左側(cè)試件開(kāi)裂源處有一長(zhǎng)三角形裂塊；右側(cè)試件開(kāi)裂源部位有一明顯的疲勞源，周?chē)休^寬的弧形疲勞擴(kuò)展特征，整個(gè)斷口呈淺灰色，平齊無(wú)塑性變形，該零件是典型的低周疲勞脆性斷裂。

2.2 物理化學(xué)分析

在斷裂部位切取化學(xué)成分、金相組織、斷口分析試樣，將剩余部分做硬度檢測(cè)。

（1）硬度檢測(cè) 在試樣花鍵齒側(cè)端平面上，按四象限分區(qū)做硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，試樣表面各象限區(qū)硬度值均高于零件G段硬度要求38～45HRC，而距試樣表面2mm深處硬度基本在要求范圍內(nèi)。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果 （HRC）

（2）化學(xué)成分 在斷裂部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，原材料42CrMo鋼化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[1]。

（3）金相分析 在斷口部位取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果見(jiàn)表2。在花鍵齒根部觀察到沿晶裂紋缺陷，如圖3所示。斷裂部位齒底表面顆粒狀和網(wǎng)狀碳化物形貌如圖4所示。

表2 金相分析結(jié)果

（4）斷口分析 裂紋開(kāi)裂于內(nèi)花鍵端面齒根部尖角部位，開(kāi)裂源處較平坦，呈淺灰色細(xì)瓷狀。在開(kāi)裂源周?chē)谐省昂睢狈植嫉幕⌒纹诙魏投瘟鸭y，如圖5所示。放大觀察裂紋擴(kuò)展區(qū)，疲勞裂紋較寬，屬低周疲勞脆性斷裂；高倍觀察，開(kāi)裂源區(qū)的斷口為沿晶形貌，呈“冰糖狀”，晶界上有細(xì)顆粒狀碳化物，如圖6所示。

圖3 斷裂部位表面滲層裂紋組織形貌（32×）

圖4 斷裂部位表面顆粒狀和網(wǎng)狀碳化物形貌（200×）

圖5 開(kāi)裂源斷口低倍形貌（15×）

圖6 沿晶開(kāi)裂斷口高倍形貌（1000×）

2.3 斷裂失效分析

綜合分析內(nèi)提升臂斷裂的原因：花鍵齒表面及根部經(jīng)滲碳處理，造成表面碳含量過(guò)高并且表面滲碳層中存在粗顆粒狀碳化物和網(wǎng)狀碳化物，這些碳化物增加了零件的表面脆性，易導(dǎo)致零件在淬火過(guò)程中產(chǎn)生淬火裂紋。另外，零件在使用過(guò)程中滲碳層易剝落，降低了使用壽命。斷裂部位（所取樣品上）有深淺不一的沿晶裂紋，從形態(tài)上判斷這些裂紋是淬火裂紋。由于齒根存在裂紋，導(dǎo)致該零件在工作僅90h后，在受力最大、應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位產(chǎn)生疲勞斷裂。

3 改進(jìn)工藝試驗(yàn)研究

根據(jù)分析，要消除齒根部的淬火裂紋，就必須控制花鍵齒表面碳的集聚增加，減少表面滲碳層中產(chǎn)生密集的顆粒狀碳化物和網(wǎng)狀碳化物，以減輕或消除產(chǎn)生淬火裂紋的隱患。

由于零件的花鍵齒在滲碳后，利用機(jī)械加工的手段去除滲層工藝比較復(fù)雜，因此有效的工藝方法是，在滲碳過(guò)程中，避免內(nèi)花鍵表面特別是齒根部滲碳。

要控制零件內(nèi)花鍵表面少滲碳或不滲碳，經(jīng)分析選擇了以下方案進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 涂刷防滲碳涂料的工藝試驗(yàn)

內(nèi)花鍵涂刷防滲碳涂料試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果顯示：防滲碳效果良好，花鍵齒表面和齒根部無(wú)明顯滲層，表面硬度符合產(chǎn)品技術(shù)要求（38～45HRC）。

表3 內(nèi)花鍵涂刷防滲碳涂料試驗(yàn)數(shù)據(jù)

工藝過(guò)程及特點(diǎn)：涂刷涂料前，徹底清洗工件，除油除銹；涂刷有不均勻情況，尤其齒根部尖角處，應(yīng)避免涂刷不到位造成漏涂；涂刷后要烘干；滲碳處理后要清洗；工作強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，成本高。

3.2 設(shè)計(jì)防滲碳工裝的工藝方案

利用機(jī)械密封原理，設(shè)計(jì)防滲碳工裝（見(jiàn)圖7）。工裝由一對(duì)密封蓋（材料HT200）組成，通過(guò)螺栓聯(lián)接，保護(hù)住花鍵齒的兩端面及整個(gè)齒部，起到隔離防滲的作用。密封蓋可以重復(fù)使用，若出現(xiàn)密封面變形或燒損，可以加工修復(fù)后使用。

圖7 防滲碳工裝

工藝流程為：安防滲碳工裝→滲碳→拆工裝→淬火→整體回火→分段回火。同時(shí)優(yōu)化滲碳工藝規(guī)范，調(diào)整參數(shù)，為減少粗顆粒碳化物和網(wǎng)狀碳化物：滲碳保溫后期，適當(dāng)降低滲劑活性。改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 內(nèi)花鍵加裝防滲碳工裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從以上試驗(yàn)情況看，有效控制了零件花鍵表面及根部的滲碳程度，顯微組織正常，硬度符合產(chǎn)品技術(shù)要求，G段硬度38～45HRC。工藝特點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，工藝性好，工裝可重復(fù)使用，生產(chǎn)效率高，成本低。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)斷裂的內(nèi)提升臂失效分析，認(rèn)為斷裂原因是由于零件在滲碳過(guò)程中，內(nèi)花鍵及根部表面碳含量過(guò)高，滲層中存在粗顆粒狀碳化物和網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致零件在淬火過(guò)程中產(chǎn)生淬火裂紋，在惡劣受力狀態(tài)下，在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位發(fā)生疲勞斷裂。經(jīng)過(guò)改進(jìn)熱處理工藝，設(shè)計(jì)采用了防滲碳工裝，得到了很好的防滲碳效果。后續(xù)生產(chǎn)的內(nèi)提升臂零件，批量裝配提升器總成，為用戶(hù)提供了質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。