摘 要:某航空發動機經工廠試車后,發現其球面墊圈外圓發生開裂。采用宏觀觀察、斷口分 析、能譜分析、金相檢驗、硬度測試等方法對該球面墊圈的開裂原因進行了分析。結果表明:該球面 墊圈經氰化處理后,在磨削加工過程中,磨削溫度過高導致磨削燒傷,形成黑色團狀區域,該區域在 快速冷卻后,存在較大的殘余應力,從而在該區域產生磨削裂紋,最終導致該球面墊圈發生開裂。
關鍵詞:12Cr2Ni4A鋼;球面墊圈;氰化處理;磨削燒傷;開裂
中圖分類號:TB31 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0065-03
12Cr2Ni4A鋼是一種合金結構鋼,其淬透性較 高、冷變形塑性中等、切削加工性良好,經氰化處理 后表層硬度及耐磨性較高,廣泛用于制造航空發動 機重要受力耐磨零件,如各種齒輪、軸、墊圈、銷子和 活塞等[1-3]。某航空發動機經工廠試車后,在對發動 機安裝的球面墊圈進行磁粉檢測時發現外圓存在數 條裂紋,打磨后再次檢查仍顯示有裂紋。該球面墊 圈的材料為12Cr2Ni4A 鋼,其主要加工工藝為:棒 料→鉆孔→熱處理→車加工→氰化處理→磨削加工 →鍍銅。墊圈外圓為氰化區域,深度要求為0.6~ 1.2mm,氰化處理后進行磨削加工。筆者通過一系 列理化檢驗,查明了該球面墊圈開裂的原因,以期為 提高球面墊圈的質量提供理論基礎。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
球面墊圈磁粉顯示位置如圖1所示,將其清洗 后進行宏觀觀察,可見加工痕跡沿著外圓圓周方向, 1# ~3# 位置中的裂紋基本與加工方向垂直,裂紋中 間均存在黑色團狀區域;1# ,2# 位置裂紋長度分別 為1.32mm和0.52mm,3# 位置有2條裂紋,長度 分別為0.74mm和0.39mm。
1.2 斷口分析
將圖1中的1# 位置裂紋人工打斷,將斷口清洗 后,用體式顯微鏡觀察,其形貌如圖2所示,可見斷 口呈棕 色,裂 紋 寬 度 約 為 1.41 mm,深 度 約 為 0.15mm,裂紋在氰化層內。
將該試樣放入掃描電鏡(SEM)下觀察,結果如圖3 所示。由圖3可知:斷口處未見夾雜等冶金缺陷;裂紋區 為典型的冰糖狀沿晶斷口,氰化層內的人工打斷區為沿 晶+韌窩混合形貌;基體的人工打斷區為韌窩形貌。
1.3 金相檢驗
在3# 位置沿著加工方向并垂直于裂紋取樣,然 后用光學顯微鏡進行觀察,可見2條裂紋,深度分別 約為0.11mm 和0.046mm,近表面裂紋兩側區域 可見黑色斑點,最大深度 約 為 0.028 mm[見 圖 4a)];腐蝕后發現,裂紋兩側未見脫碳現象,裂紋沿 晶擴展[見圖4b)]。
在開裂球面墊圈上取樣,根據設計要求,分別按 照 HB5492—1991《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金 相組織檢驗標準》、HB5493—1991《航空鋼制件滲 碳、碳氮共滲滲層深度測定方法》對試樣。進行金相 檢驗及滲碳層深度測試,結果如表1所示,可見該開 裂球面墊圈的顯微組織和滲碳層深度均符合設計 要求。
1.4 能譜分析
采用能譜儀對1# 位置裂紋斷口近表面、3# 位 置裂紋內部、基體區域以及黑色斑點區域進行能譜 分析,分析位置如圖3a)和圖5所示,結果如表2所 示。由表2可知:3# 位置裂紋內部能譜分析結果與 1# 位置裂紋斷口近表面能譜分析結果類似,除基體 元素外,還含有一定量的 O和Cu元素;基體區域未見異常;黑色斑點區域除基體元素外還含有較多的 O元素。說明裂紋在鍍銅處理前就已經存在,并在 試車時發生氧化。
1.5 硬度測試
根據設計要求,對開裂球面墊圈的心部、正常區 域氰化表面以及黑色斑點區域進行硬度測試,結果 如表3所示,可見心部和正常區域氰化表面的硬度 均符合設計要求,黑色斑點區域的硬度低于正常區 域氰化表面的硬度。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知:球面墊圈外圓的數 條裂紋基本垂直于加工方向,且裂紋中間均存在黑 色團狀區域,裂紋均在氰化層內,說明裂紋在鍍銅前 就已經存在,在試車時裂紋內部發生氧化。3# 位置 裂紋近表面兩側區域可見黑色斑點,對黑色斑點區 域進行能譜分析,發現該區域含有較多的 O 元素, 說明近表面被氧化。該球面墊圈黑色斑點區域為外 圓氰化區域,氰化處理后進行了磨削加工,零件在磨 削加工過程中,表面會因磨削燒傷而發生氧化變色, 形成氧化膜,氧化顏色越深,氧化膜越厚[4-5],因此該 球面墊圈可能存在磨削燒傷。磨削燒傷主要分為回火燒傷和二次淬火燒傷,兩種燒傷都會導致顯微硬 度有明顯變化,當表面產生回火燒傷時,其顯微硬度 會降低;當表面產生二次淬火燒傷時,其顯微硬度會 增大[5-7]。由硬度測試結果可知,近表面裂紋兩側黑 色斑點區域硬度低于正常區域近表面硬度,說明黑 色斑點區域即黑色團狀區域存在磨削燒傷現象。該 區域在磨削過程中磨削溫度過高以及隨后進行了立 即冷卻,導致該區域存在較大的殘余應力,從而產生 磨削裂紋并穿過燒傷區域。產生磨削裂紋的原因主 要是磨削和熱處理工藝控制不當[8-9],其中磨削溫度 過高會導致磨削燒傷,從而產生磨削裂紋;熱處理工 藝控制不當會導致滲層的粗大針狀馬氏體過多,網 狀碳化物、殘余奧氏體過量,進而產生磨削裂紋。該 球面墊圈的顯微組織、滲層深度、心部及表面硬度均 符合設計要求,因此可以排除熱處理工藝的影響,說 明裂紋的產生主要是磨削溫度過高所致。
3 結論
該球面墊圈產生裂紋的主要原因是,球面墊圈 經氰化處理后,在磨削加工過程中,磨削溫度過高導 致產生磨削燒傷,形成了黑色團狀區域,該區域在快 速冷卻后,存在較大的殘余應力,從而在該區域產生 磨削裂紋,最終導致球面墊圈發生開裂。
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