某壓鑄機拉桿早期斷裂原因

朱澤曉, 王 挺, 李振華

(海天塑機集團有限公司, 寧波 315821)

拉桿是壓鑄機的重要承載零件，其易受交變應力作用而發(fā)生早期斷裂。某鋁合金壓鑄機拉桿的材料為42CrMoA鋼，采用調質熱處理，使用2 a后其頭部螺紋處發(fā)生斷裂，部分拉桿斷于其配套的懸置螺母中，拉桿斷裂位置及局部結構如圖1所示。筆者通過一系列的理化檢驗分析了該拉桿的斷裂原因。

圖1 拉桿斷裂位置及局部結構示意

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該型壓鑄機的水溶性脫模劑采用了自動噴淋的方式，脫模劑管道分布在拉桿螺紋段上方且存在滲漏現(xiàn)象(見圖2)。斷裂拉桿的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：拉桿斷口氧化嚴重，疲勞斷裂特征明顯，其由疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3個部分組成[1]，存在多個疲勞源，螺紋表面存在深淺不一的孔洞。

圖2 壓鑄機管道滲漏現(xiàn)場

圖3 斷裂拉桿宏觀形貌

1.2 螺紋加工質量測試

取拉桿完整螺紋段，清洗后觀察遠離斷口側的螺紋底部加工質量，并采用輪廓儀測量螺紋尺寸，結果顯示螺紋表面粗糙度小，且加工尺寸符合技術要求(見圖4)。

圖4 螺紋加工質量測試結果

1.3 化學成分分析

在拉桿疲勞源附近取樣，采用LABM12型直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：拉桿的化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMoA鋼的技術要求。

表1 斷裂拉桿的化學成分 %

1.4 金相檢驗

在拉桿疲勞源附近取樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用GX71型光學顯微鏡觀察拉桿中縱向夾雜物，檢驗結果如圖5a)所示。根據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗方法》，判定斷裂拉桿中A類(硫化物類)夾雜物為0.5級，無其他夾雜物。

在拉桿斷口附近橫截面處取樣，根據(jù)GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗方法》進行熱酸蝕試驗，觀察其低倍組織形貌[見圖5b)]，根據(jù)GB/T 1979—2001 《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》對其評級，結果如表2所示。

圖5 斷裂拉桿夾雜物及低倍組織檢驗結果

表2 斷裂拉桿低倍組織評級結果 級

在拉桿主斷面附近螺紋處發(fā)現(xiàn)多個螺紋均存在萌生于螺紋底部腐蝕坑的微裂紋，且每個螺紋均存在多個腐蝕坑。在斷口疲勞源附近取樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，用GX71型倒置式顯微鏡觀察顯微組織，發(fā)現(xiàn)拉桿疲勞源處組織為回火索氏體+粒狀貝氏體+微量鐵素體(見圖6)。

圖6 疲勞源附近的顯微組織形貌

1.5 力學性能測試

在拉桿螺紋段距外圓面R/3(25 mm) 處縱向取拉伸和V型沖擊試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，分別采用MTS C45.305型微機控制電子萬能試驗機和ZBC2302-D型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行拉伸和沖擊試驗，結果如表3所示。由表3可知，拉桿的力學性能符合企標QHTJ 102-2018 《金屬材料通用技術標準第一部分》中對42CrMoA鋼的要求。

表3 拉桿材料力學性能測試結果

1.6 斷口分析

將拉桿斷口清洗并吹干后，置于JSM-6510A型掃描電鏡(SEM)下觀察,可以看到拉桿疲勞裂紋萌生于螺紋底部連續(xù)腐蝕坑位置[見圖7a)],圖7b)為疲勞裂紋擴展區(qū)的疲勞條帶微觀形貌。結合宏觀特征，判斷該拉桿斷裂模式為裂紋萌生于螺紋底部腐蝕坑的多源疲勞斷裂。對腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進行能譜(EDS)分析，發(fā)現(xiàn)其主要成分為含有合金元素的氧化物(見圖8)。

圖7 拉桿斷口SEM形貌

圖8 拉桿斷口腐蝕產(chǎn)物EDS分析結果

2 綜合分析

根據(jù)上述理化檢驗結果可知：拉桿的螺紋尺寸、顯微組織及力學性能均符合相關標準要求。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)拉桿斷口的疲勞裂紋源位于拉桿螺紋底部，呈多源疲勞特征，且螺紋底部布滿大小、深淺不一的腐蝕坑。拉桿因承受應力過大，或表面存在缺陷會產(chǎn)生應力集中，其疲勞斷口呈低周疲勞斷裂特征，存在多個疲勞源[2-3]，多源疲勞相互交接后在疲勞源區(qū)形成疲勞臺階[4-5]。拉桿螺紋本身由于尺寸因素會產(chǎn)生較大的應力集中，拉桿底部腐蝕缺陷加劇了應力集中的程度和范圍，因此在服役過程中產(chǎn)生多源疲勞，疲勞臺階幾乎占據(jù)了斷口的1/2外圓弧。EDS分析結果顯示疲勞源處腐蝕坑表面的腐蝕產(chǎn)物主要為含有合金元素的氧化物，這與拉桿中所用的水溶性脫模劑成分相吻合。該型拉桿所使用的是水性脫模劑，以1…200(體積比)兌水后作為噴淋溶液，因其配方中缺少防銹緩蝕劑，故脫模劑無法在拉桿表面形成保護膜,又因脫模劑的滲漏，使得拉桿長期暴露于潮濕的環(huán)境中，表面易銹蝕。鐵銹是一種疏松的沉積物，并不緊附于拉桿表面，不能阻止水、腐蝕氣體等的通過，反而更能吸附水、腐蝕氣體，使得電化學腐蝕不斷地進行。綜合以上原因，拉桿在交變應力作用下，在潮濕、溫度較高(30 ℃)的環(huán)境下服役，拉桿螺紋底部出現(xiàn)了大量大小不一的腐蝕坑。持續(xù)高溫、潮濕的環(huán)境導致腐蝕坑數(shù)量不斷增加，尺寸不斷擴大，進而使拉桿疲勞裂紋不斷萌生并擴展，最終拉桿發(fā)生了早期疲勞斷裂。

3 結論及建議

該壓鑄機拉桿在高溫、潮濕環(huán)境中發(fā)生了早期腐蝕疲勞斷裂。脫模劑滲漏導致拉桿長期處于高溫、潮濕環(huán)境中并形成腐蝕坑，在循環(huán)應力的作用下腐蝕坑底部萌生裂紋并擴展，最終導致拉桿發(fā)生早期疲勞斷裂。

建議對拉桿螺母位置做好防護措施，或做好脫模劑自動噴淋裝置的防滲漏工作，防止拉桿及螺母因腐蝕而引發(fā)早期疲勞斷裂；此外，可對拉桿螺紋進行噴丸或滾壓等強化處理，提高其抗疲勞斷裂能力。