力矩扳手連接桿的斷裂原因及熱處理工藝改進(jìn)

武 坤, 楊 帆, 王秀健, 鄭喜平, 李 皓

(鄭州精益達(dá)汽車零部件有限公司, 鄭州 450000)

力矩扳手的主要作用是緊固螺栓，其應(yīng)用力矩一般為扳手扭力的20%～90%連續(xù)可調(diào)，使用時(shí)先設(shè)定目標(biāo)扭矩，扳動(dòng)手柄，在其扭矩達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，扳手會(huì)發(fā)生輕微的震動(dòng)和清晰的“卡塔”聲。某力矩扳手使用了3個(gè)月后，頭部和手柄之間的連接桿出現(xiàn)斷裂。為查明其斷裂原因，筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析，并對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，以防止該類問題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

力矩扳手長(zhǎng)1 180 mm，扭矩為1 200 N·m，斷裂發(fā)生在其頭部和手柄連接處，見圖1a)，由于靠近扳手頭部，此處受力較大。圖1b)是安裝在扳手內(nèi)部的連接桿，主要作用是連接頭部和手柄，直徑為16 mm，長(zhǎng)為350 mm。圖1c)是力矩扳手的斷口宏觀形貌，斷口分為3個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)是裂紋源區(qū)，位于斷口邊緣位置，約占斷口面積的1%～2%；Ⅱ區(qū)是疲勞擴(kuò)展區(qū)，呈亮白月牙形，有明顯疲勞輝紋，約占斷口面積的8%～10%；Ⅲ區(qū)是瞬斷區(qū)，顏色灰暗，有明顯撕裂棱，約占斷口面積的90%[1]。由此可知，斷裂時(shí)連接桿受力較大，屬于高應(yīng)力低周疲勞斷裂。

圖1 扳手?jǐn)嗔盐恢?、連接桿及斷口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology fracture location of wrench a) core connecting rod b) and fracture c)

1.2 化學(xué)成分分析

連接桿材料為40Cr合金鋼，在斷口附近取尺寸為φ16 mm×12 mm的圓柱形試樣，經(jīng)磨床磨平和砂輪機(jī)拋光后，采用PDA-5500型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見其化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr合金鋼的技術(shù)要求。

表1 連接桿的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of connecting rod

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理的連接桿，其硬度為22～26 HRC，在連接桿上截取一段尺寸為φ10 mm×5 mm的試樣，采用SHK-A105型萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)其拉伸性能，采用HR-150DT型洛氏硬度計(jì)測(cè)其硬度，結(jié)果如表2所示，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均不符合技術(shù)要求。

表2 連接桿的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties of connecting rod

1.4 顯微組織觀察

在靠近連接桿斷口處截取試樣，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸乙醇進(jìn)行腐蝕后，采用CX31P-OC-1型顯微鏡進(jìn)行觀察。由圖2可見，暗灰色組織為馬氏體經(jīng)高溫回火后轉(zhuǎn)變成的回火索氏體，以及母相奧氏體晶界處析出的網(wǎng)狀鐵素體和平行分布的針狀鐵素體，呈倒三角形分布在晶粒內(nèi)部的是魏氏組織，魏氏組織中的鐵素體沿母相奧氏體的慣習(xí)面析出，慣習(xí)面的晶面指數(shù)為{1 1 1}γ。淬火冷卻條件下，當(dāng)溫度降至Ac3線時(shí)，為了保持組織的穩(wěn)定，多余的鐵素體會(huì)從固溶體中向四周“排出去”，從而形成網(wǎng)狀鐵素體，這是典型的高溫轉(zhuǎn)變特征。冷卻速率越慢，越容易形成網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織，連接桿在冷卻過程發(fā)生了高溫轉(zhuǎn)變，說明其熱處理工藝不合理。

圖2 連接桿斷口處的的顯微組織Fig.2 Microstructure at the fracture of connecting rod

1.5 斷口分析

圖3a)是斷口起始區(qū)的微觀形貌，起始區(qū)位于斷口邊緣，在裂紋源附近，有明顯的同心圓狀貝紋線，這是疲勞擴(kuò)展的典型特征，說明其斷裂形式屬于疲勞開裂，對(duì)圖3a)方框處進(jìn)行能譜分析，如圖3d)所示，F(xiàn)e，Cr，Mn，O的衍射峰比較明顯，說明裂紋源不是夾雜物引起的[2]。圖3b)是擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌，疲勞輝紋較窄，說明擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力較小。圖3c)是瞬斷區(qū)的微觀形貌，有較多的橢圓形韌窩，說明連接桿最后斷裂是被拉斷的。

圖3 連接桿斷口不同位置處的微觀形貌及圖3a)中方框區(qū)的EDS譜Fig.3 Micro morphology and EDS spectrum of fracture at different positions of connecting rod:a) initiation zone; b) extended zone; c) transient zone; d) EDS spectrum of the box area in figure 3a)

2 分析與討論

對(duì)連接桿的斷口進(jìn)行分析，可知斷口屬于疲勞斷口，斷口位置沒有夾雜物，表面沒有劃痕損傷，但其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均不符合技術(shù)要求。通過顯微組織觀察可知，斷口處組織為網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織，說明在調(diào)質(zhì)過程中溫度較高，連接桿中的奧氏體具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致魏氏組織的形成。其次，零件從熱處理爐取出到入淬火介質(zhì)前的停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致鐵素體在晶界處析出并形成網(wǎng)狀，這降低了晶界的強(qiáng)度和界面能，從而使材料脆性升高。在外力作用下，裂紋萌生、擴(kuò)展至晶界處，由于該處鐵素體硬度較低，晶界成為裂紋的擴(kuò)展通道[3]。因此，需要對(duì)連接桿的熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

3 熱處理工藝改進(jìn)

對(duì)連接桿的熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)的措施是：(1)將淬火溫度由880 ℃降低至830 ℃，較低的淬火溫度可使奧氏體微區(qū)成分的不均勻性升高，同時(shí)可降低奧氏體的熱穩(wěn)定性，減小奧氏體發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變而分解成針狀鐵素體的概率，促使微區(qū)中的奧氏體提前轉(zhuǎn)變；(2)縮短保溫時(shí)間，可避免高溫下奧氏體晶粒長(zhǎng)大和表面脫碳[4]；(3)原熱處理工藝中，連接桿在臺(tái)車爐中密排加熱后，需裝筐后進(jìn)行淬火，轉(zhuǎn)移時(shí)間約為180 s，改進(jìn)后將連接桿在網(wǎng)帶爐中進(jìn)行分散加熱，可快速進(jìn)入淬火介質(zhì)中，轉(zhuǎn)移時(shí)間約為8 s，縮短轉(zhuǎn)移時(shí)間可抑制網(wǎng)狀鐵素體的析出，促使奧氏體組織快速進(jìn)入低溫轉(zhuǎn)變區(qū)，從而發(fā)生低溫馬氏體轉(zhuǎn)變；(3)連接桿為細(xì)長(zhǎng)桿狀，淬火后應(yīng)力比較均勻，不易開裂，原淬火介質(zhì)為普通淬火油，油在550～650 ℃范圍內(nèi)的冷卻速率較低，平均冷卻速率僅60～100 ℃/s，該溫度區(qū)間處于連續(xù)轉(zhuǎn)變C曲線的“鼻尖”部位，需要快速冷卻，經(jīng)改用12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PAG(聚烷撐乙二醇)溶液后，冷卻速率加快，可減少該溫度區(qū)間內(nèi)的中溫轉(zhuǎn)變，從而得到較為理想的低溫馬氏體組織和較大的淬硬層深度。

表3 熱處理工藝參數(shù)改進(jìn)前后對(duì)比Tab.3 Comparison of heat treatment process parameters beforeand after impravement

采用改進(jìn)后的工藝對(duì)連接桿進(jìn)行熱處理，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，其抗拉強(qiáng)度為1 054 MPa，屈服強(qiáng)度為880 MPa，延伸率為12%，硬度為23 HRC，均符合技術(shù)要求。熱處理后的顯微組織見圖4，沒有網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織，也沒有大塊狀的鐵素體，組織均勻、穩(wěn)定。經(jīng)改進(jìn)工藝熱處理后，連接桿服役已18個(gè)月，未發(fā)生斷裂。

圖4 改進(jìn)工藝熱處理后連接桿的顯微組織Fig.4 Microstructure of connecting rod after improvedprocess heat treatment

4 結(jié)論

(1) 連接桿的硬度合格，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均不符合技術(shù)要求；顯微組織為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體+魏氏組織，斷口屬于疲勞斷口，裂紋起源于連接桿外表面，裂紋源處無夾雜物。

(2) 造成連接桿斷裂的原因是連接桿熱處理工藝不合格，導(dǎo)致其力學(xué)性能偏低，通過降低淬火溫度、縮短保溫時(shí)間和轉(zhuǎn)移時(shí)間以及提高淬火冷卻速率，對(duì)其熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)。

(3) 經(jīng)改進(jìn)工藝熱處理后，連接桿的力學(xué)性能和顯微組織均符合技術(shù)要求，服役18個(gè)月未斷裂。