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42CrMo钢阀杆断裂失效分析

       某厂生产的一批钢阀杆中,由于在受力时发生断裂。该批钢阀杆材料为42OM0,外形尺寸为 <f)6 mm x 10 mm,热处理工艺为850 ±10) ℃ x 6 h 调质处理,(560 ±10) ℃ x4 h表面氮化,500℃ x2 h 回火。热处理技术要求:钢阀杆的表面硬度650 ~ 700HV心部硬度500 HV渗层深度0. 25 ~ 0.30 mm为了了解钢阀断裂失效的原因,采用金相显微镜分析钢阀杆内径表层及心部的组织特征,用显微硬度计测定试样渗层深度和硬度梯度分布,从组织结构和基体与渗碳层界面分析失效原因。

       断裂钢阀杆的断裂位置在阀杆内径受挤压力作用后,内径表面产生裂纹,并在外力的作用下,延伸至阀杆外表层,最后阀杆发生断裂

轧辊21.png

显微组织分析

对零件断裂部位取样进行金相显微组织分析,用4%硝酸酒精溶液侵蚀试样。42CrMo钢阀杆渗氮回火后的显微组织,是未热处理的原始材料的基体组织为铁素体是钢阀杆的心部组织为回火索氏体钢阀杆内径表面渗氮层组织,可以明显看出,在渗氮层与基体之间存在明显的脱氮层,这是引起该区域出现应力集中,从而导致裂纹源出现的主要原因。

硬度分析

       用显微硬度计测定了42CrMo钢阀杆硬度梯度分布情况,试验所用载荷为100 g时间为15 s钢阀杆内径表面硬度为756.1 HV,与技术要求相比,硬度偏高;但从距离内径表面0.10 mm处开始,随着深度的增加,硬度下降很快,表现为硬度梯度较陡;在过渡层硬度为565.3 HV处时,所对应 的渗层深度不到0. 20 mm,低于技术要求的0. 25 ~0.3 mm;延伸至心部0.4 mm处的硬度为282 HV 渗氮层浅、软氮化硬度偏低和硬度梯度过陡,从而导致钢阀杆过渡层强度偏低。此外,从硬度梯度分布曲线也可以看出,渗层深度也没有满足该钢阀杆的技术要求。

断裂失效原因分析及讨论

       显微组织表明,钢阀杆内径表面渗碳层存在较大的马氏体,回火后硬度仍很高,达到756 HV,这 是由于粹火马氏体回火转变不充分所致。过渡层中存在大量贝氏体和低碳马氏体组织,造成贝氏体和低碳马氏体组织出现的原因是碳含量和渗氮深度不够。在距表面0.08-0. 12 nun的区域内,硬度下降很快,导致阀杆有效硬化层深度不足0.20 mm同时硬度梯度陡,说明钢阀杆内径由表及内碳浓度变化过大。这是由于钢阀杆渗氮前热处理工艺不当,引起阀杆内径表面碳流失。据了解,该厂之前采 用的技术要求未针对钢阀杆内径进行特殊处理。因 此造成钢阀杆在调质过程中,由于内径小,保护气氛在内径流动性不足,使得高温调质过程中,阀杆内径 表面出现氧化脱碳现象,从而导致钢阀杆渗氮后,显微硬度从表到里差异大。

综合13.jpg

       由于42CrMo钢阀杆使用时倒角部位承受较大的挤压力,造成阀杆在内径接触面和过渡区出现应力集中。在外力作用下,阀杆内径强度偏低的过渡层和心部组织难以承受较大的接触应力,发生塑性变形。随着塑性变形的反复进行,外加应力超过了阀杆的强度极限,在强度较低的脱碳层薄弱处,形成了沿铁素体分布的微裂纹。此外,由于过渡层强度偏低,导致材料抵抗裂纹扩展的阻力降低,于是裂纹在外加应力反复作用下,逐渐从钢阀杆内径表层向过渡层扩展,造成钢阀杆表面硬化层的塌陷、凹坑和剥落,最终发生断裂失效。

阀杆断裂的最主要原因是内径表面氧化脱碳和应力集中,必须从这两个方面对阀杆的结构和热处理工艺进行改进。

(1) 阀杆结构设计存在缺陷,应在不影响阀杆运行状况下增大阀杆内径直径。

(2) 钢阀杆受到过载,在钢阀杆接触面和过渡区出现应力集中。在表面组织粗大,硬化层较浅,硬度梯度较陡的情况下,易造成过渡层局部应力超过钢阀杆强度,在薄弱处形成裂纹并扩展,最终导致断裂失效。故此,因尽量避免阀杆各部位出现尖角,并降低各部位表面粗糙度,改善整个阀杆的应力集中状况,并保证阀杆运行时足够润滑,接触良好,尽量减少冲击和过载的发生。

(3) 阀杆在调质过程中,通过搅拌或风扇装置,提高保护气体的流动性,尤其提高阀杆内经畅通的保护措施,检查内径是否存在杂物或堵塞现象,避免气体流动不足而引起的氧化脱碳、渗氮层硬度和深度不足


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