摘 要:某航空發(fā)動機(jī)經(jīng)工廠試車后,發(fā)現(xiàn)其球面墊圈外圓發(fā)生開裂。采用宏觀觀察、斷口分 析、能譜分析、金相檢驗(yàn)、硬度測試等方法對該球面墊圈的開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:該球面 墊圈經(jīng)氰化處理后,在磨削加工過程中,磨削溫度過高導(dǎo)致磨削燒傷,形成黑色團(tuán)狀區(qū)域,該區(qū)域在 快速冷卻后,存在較大的殘余應(yīng)力,從而在該區(qū)域產(chǎn)生磨削裂紋,最終導(dǎo)致該球面墊圈發(fā)生開裂。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)03-0065-03

12Cr2Ni4A鋼是一種合金結(jié)構(gòu)鋼,其淬透性較 高、冷變形塑性中等、切削加工性良好,經(jīng)氰化處理 后表層硬度及耐磨性較高,廣泛用于制造航空發(fā)動 機(jī)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(fā)動機(jī)經(jīng)工廠試車后,在對發(fā)動 機(jī)安裝的球面墊圈進(jìn)行磁粉檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)外圓存在數(shù) 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(qū)域,深度要求為0.6~ 1.2mm,氰化處理后進(jìn)行磨削加工。筆者通過一系 列理化檢驗(yàn),查明了該球面墊圈開裂的原因,以期為 提高球面墊圈的質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

1 理化檢驗(yàn)

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(jìn)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(tuán)狀區(qū)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(nèi)。

將該試樣放入掃描電鏡(SEM)下觀察,結(jié)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(qū) 為典型的冰糖狀沿晶斷口,氰化層內(nèi)的人工打斷區(qū)為沿 晶+韌窩混合形貌;基體的人工打斷區(qū)為韌窩形貌。

1.3 金相檢驗(yàn)

在3# 位置沿著加工方向并垂直于裂紋取樣,然 后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)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(cè)區(qū)域 可見黑色斑點(diǎn),最大深度 約 為 0.028 mm[見 圖 4a)];腐蝕后發(fā)現(xiàn),裂紋兩側(cè)未見脫碳現(xiàn)象,裂紋沿 晶擴(kuò)展[見圖4b)]。

在開裂球面墊圈上取樣,根據(jù)設(shè)計(jì)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、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(jìn)行金相 檢驗(yàn)及滲碳層深度測試,結(jié)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(shè)計(jì) 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(nèi)部、基體區(qū)域以及黑色斑點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行能譜 分析,分析位置如圖3a)和圖5所示,結(jié)果如表2所 示。由表2可知:3# 位置裂紋內(nèi)部能譜分析結(jié)果與 1# 位置裂紋斷口近表面能譜分析結(jié)果類似,除基體 元素外,還含有一定量的 O和Cu元素;基體區(qū)域未見異常;黑色斑點(diǎn)區(qū)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(jīng)存在,并在 試車時(shí)發(fā)生氧化。

1.5 硬度測試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對開裂球面墊圈的心部、正常區(qū) 域氰化表面以及黑色斑點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行硬度測試,結(jié)果 如表3所示,可見心部和正常區(qū)域氰化表面的硬度 均符合設(shè)計(jì)要求,黑色斑點(diǎn)區(qū)域的硬度低于正常區(qū) 域氰化表面的硬度。

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:球面墊圈外圓的數(shù) 條裂紋基本垂直于加工方向,且裂紋中間均存在黑 色團(tuán)狀區(qū)域,裂紋均在氰化層內(nèi),說明裂紋在鍍銅前 就已經(jīng)存在,在試車時(shí)裂紋內(nèi)部發(fā)生氧化。3# 位置 裂紋近表面兩側(cè)區(qū)域可見黑色斑點(diǎn),對黑色斑點(diǎn)區(qū) 域進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)該區(qū)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(diǎn)區(qū)域?yàn)橥?圓氰化區(qū)域,氰化處理后進(jìn)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(fā)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(dǎo)致顯微硬 度有明顯變化,當(dāng)表面產(chǎn)生回火燒傷時(shí),其顯微硬度 會降低;當(dāng)表面產(chǎn)生二次淬火燒傷時(shí),其顯微硬度會 增大[5-7]。由硬度測試結(jié)果可知,近表面裂紋兩側(cè)黑 色斑點(diǎn)區(qū)域硬度低于正常區(qū)域近表面硬度,說明黑 色斑點(diǎn)區(qū)域即黑色團(tuán)狀區(qū)域存在磨削燒傷現(xiàn)象。該 區(qū)域在磨削過程中磨削溫度過高以及隨后進(jìn)行了立 即冷卻,導(dǎo)致該區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力,從而產(chǎn)生 磨削裂紋并穿過燒傷區(qū)域。產(chǎn)生磨削裂紋的原因主 要是磨削和熱處理工藝控制不當(dāng)[8-9],其中磨削溫度 過高會導(dǎo)致磨削燒傷,從而產(chǎn)生磨削裂紋;熱處理工 藝控制不當(dāng)會導(dǎo)致滲層的粗大針狀馬氏體過多,網(wǎng) 狀碳化物、殘余奧氏體過量,進(jìn)而產(chǎn)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(shè)計(jì)要求,因此可以排除熱處理工藝的影響,說 明裂紋的產(chǎn)生主要是磨削溫度過高所致。

3 結(jié)論

該球面墊圈產(chǎn)生裂紋的主要原因是,球面墊圈 經(jīng)氰化處理后,在磨削加工過程中,磨削溫度過高導(dǎo) 致產(chǎn)生磨削燒傷,形成了黑色團(tuán)狀區(qū)域,該區(qū)域在快 速冷卻后,存在較大的殘余應(yīng)力,從而在該區(qū)域產(chǎn)生 磨削裂紋,最終導(dǎo)致球面墊圈發(fā)生開裂。

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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 59卷 > 3期 (pp:65-67)>