熱處理工裝失效分析

劉曉，張貽柱

西安法士特汽車傳動有限公司 陜西西安 710000

1 序言

目前，立桿作為大量使用的熱處理工裝，其損耗量也非常巨大，主要的失效形式是高溫氧化減薄,強度嚴重下降，因此對工裝的失效原因進行分析具有重要意義。

2 熱處理用工裝的基本要求

熱處理的過程中需要使用較為特殊的工裝，而工裝質(zhì)量將直接影響到零件熱處理的效果[1]。其基本要求如下。

（1）較好的耐熱性能 凡在高溫下承載工件的工裝, 都要求具有較好的耐熱性能和一定的耐蝕性,以防止嚴重氧化, 因此有時要求對其進行抗?jié)B碳處理等。為了滿足這些要求, 一般從材料的選擇上予以考慮, 因此材料的成本較高。

（2）一定的高溫強度 高溫強度指裝載工件的工裝在高溫下長時間加熱, 能承載被加熱工件的重量，且工裝不發(fā)生嚴重變形甚至散架[2]。雖然工裝的高溫強度靠材料和工裝結(jié)構(gòu)保證, 但如果結(jié)構(gòu)太強, 則重量大, 吸收的熱能多, 使工件的單位能源消耗增加, 加熱時間延長, 導致生產(chǎn)成本上升。

（3）較低的材料與制作成本 制作熱處理工裝常采用焊接、鑄造方法。控制工裝材料與工裝制作成本，是控制熱處理生產(chǎn)成本的重要方面[3]。

該斷裂立柱來自滲碳爐用廢品框，材料為HR32 耐熱鋼，鑄造成形。在多次使用后立柱發(fā)生嚴重扭曲變形，人為敲斷后外觀如圖1所示，斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖1 斷裂立柱外觀

圖2 斷口宏觀形貌

3 理化檢測

3.1 宏觀檢測

肉眼觀察敲斷后的立柱，發(fā)現(xiàn)表面有清晰可見的裂紋（見圖1箭頭所指位置）。紅框處為金相組織檢測取樣位置。斷口中心黑色區(qū)域目視觀察可看到表面有黑色的粉末狀物質(zhì)，初步判斷為滲碳爐中沉積的炭黑（見圖2）。對立柱進行切割時得到a、b2個面。觀察發(fā)現(xiàn)靠近斷口的a面試樣邊緣有裂紋，心部有孔洞，如圖3a所示；而遠離斷口的b面則只發(fā)現(xiàn)了裂紋，如圖3b所示。從圖3b中b面裂紋的位置可以看出，該裂紋是a面心部孔洞的延伸，a面中心孔洞是鑄造缺陷。

圖3 立柱切割面

3.2 金相檢驗

在圖1紅框位置處取樣，經(jīng)磨光、拋光、腐蝕后觀察金相組織，可發(fā)現(xiàn)立柱晶內(nèi)和晶界處析出大量碳化物，遠離裂紋處奧氏體晶體內(nèi)析出的碳化物呈圓球狀[4]，晶界處碳化物呈塊狀，如圖4所示。裂紋附近金相組織顯示，在奧氏體晶界處有孔洞，晶界處碳化物較遠離裂紋處少，但仍可看到部分塊狀碳化物；奧氏體晶體內(nèi)部碳化物主要為棒狀和塊狀，如圖5所示。

圖4 遠離裂紋處金相組織

3.3 能譜微區(qū)分析

將試樣斷口清洗干凈，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)A區(qū)域處（見圖2）斷口表面覆蓋了一層黑色的粉末狀物質(zhì)，如圖6所示。能譜分析結(jié)果見表1，表明黑色物質(zhì)正是前文推測的炭黑。斷口附著的炭黑表明：立柱中心部位的孔洞，可能在長期使用中發(fā)生變形，個別區(qū)域尖角效應引起的應力集中，使裂紋延伸至立柱表面，斷口宏觀形貌顯示，有3處黑色區(qū)域已經(jīng)延伸至立柱表面；也有可能是鑄造時產(chǎn)生的細小裂紋未被發(fā)現(xiàn)。在隨后的使用過程中，碳原子不斷從裂縫中滲入，最后沉積形成炭黑。因此，表現(xiàn)出斷口中心A區(qū)呈黑色，而表層B區(qū)呈銀灰色。

3.4 掃描電鏡分析

掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)零件邊緣裂紋，如圖7所示。圖7中C處裂紋形貌如圖8所示，顯示斷口表面已完全被氧化，這也表明零件存在缺陷后仍然在服役。

圖7 零件邊緣裂紋處斷口形貌

圖8 C處裂紋形貌

對邊緣B區(qū)（見圖2）進行觀察，發(fā)現(xiàn)此處為新鮮斷口，斷口表面未附著炭黑，也未被氧化，如圖9所示。由此推測，此處斷裂發(fā)生在立柱從爐內(nèi)取出人為敲斷之后。

圖9 B區(qū)斷口形貌

4 分析與討論

由金相組織檢測可知，立柱中心存在嚴重的鑄造孔洞缺陷，減小了其有效承載面積。在使用過程中，隨著時間的增加，碳化物不斷在晶界和晶內(nèi)析出，晶內(nèi)析出碳化物開始為圓球狀，并不斷長大、聚集向棒狀和塊狀轉(zhuǎn)變。晶界上的塊狀碳化物尺寸不斷增加，使晶界析出的碳化物與基體的結(jié)合力不斷降低。炭黑通過裂紋孔隙滲入到零件內(nèi)部，在零件心部沉積；當操作者發(fā)現(xiàn)立柱扭曲后，將其從爐內(nèi)取出，在外力的作用下發(fā)生最終斷裂。

5 結(jié)束語

由以上分析可知，立柱中心存在的鑄造孔洞是其長期使用后嚴重扭曲變形的主要原因，隨著使用時間的增加，奧氏體邊界的碳化物尺寸逐漸長大，碳化物與基體的結(jié)合力減弱，促進了變形的快速發(fā)展。

經(jīng)過分析，對滲碳爐用工裝提出以下改進措施：首先，加強工裝進場宏觀檢驗；其次，使用抗?jié)B碳涂層阻止活性碳原子進入工裝內(nèi)部，使其不被滲碳，減小變形開裂的傾向，從而延長工裝使用壽命。