超硬材料六面頂液壓機(jī)鉸鏈梁斷裂失效分析①

農(nóng)建中，謝正松，吳一，胡毅勝

（1.桂林桂冶實(shí)業(yè)有限公司，廣西桂林541001；2.桂林理工大學(xué)，廣西桂林541004）

1 前言

金剛石是自然界已發(fā)現(xiàn)的具有最高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性材料，金剛石具有的熱導(dǎo)率、透過波段、聲速以及半導(dǎo)體特性和化學(xué)惰性等綜合性能使其成為當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的全方位材料［1］。它廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、加工業(yè)、建材業(yè)、汽車、國(guó)防等領(lǐng)域，是軍事和某些尖端技術(shù)的關(guān)鍵材料。但由于天然金剛石數(shù)量有限，必須進(jìn)行人工合成方成滿足需要。超硬材料六面頂液壓機(jī)就是生產(chǎn)人造金剛石的設(shè)備之一。目前世界上用于金剛石生產(chǎn)的靜態(tài)超高壓高溫設(shè)備有三種類型：一種是以西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家為代表的年輪式兩面頂壓機(jī)，二是中國(guó)的鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)，三是俄羅斯、烏克蘭的雙面凹砧型壓機(jī)［2］。這三種不同類型的壓機(jī)各有特點(diǎn)，從使用實(shí)際效果看，目前我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)已成當(dāng)今的主流，這是我國(guó)科學(xué)家和工程技術(shù)人員經(jīng)過幾十年奮斗得到的成果?，F(xiàn)在全世界金剛石的年產(chǎn)量為9.0×109克拉左右。有超過95%以上的金剛石是用中國(guó)產(chǎn)的鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)生產(chǎn)出來的。可見，鉸鏈?zhǔn)搅骓斠簤簷C(jī)在世界超硬材料行業(yè)中已經(jīng)顯示出非常突出的地位。

超硬材料六面頂液壓機(jī)最重要的部件是鉸鏈梁，它一直是許多科研人員和工程技術(shù)人員的研究對(duì)象，對(duì)其性能展開研究特別對(duì)鉸鏈梁的斷裂失效進(jìn)行分析具有重要的意義。

某型號(hào)超硬材料六面頂液壓機(jī)，工作壓力是90MPa左右，運(yùn)行半年后，發(fā)生鉸鏈梁耳朵斷裂。鉸鏈梁的材質(zhì)為ZG35NiCr Mo，耳朵厚度為152mm，鑄造而成。為查明鉸鏈梁耳朵開裂原因，在耳朵殘件壁厚上取樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析。開裂位置如圖1所示。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 斷口分析

圖1 鉸鏈梁耳朵開裂斷口的宏觀形貌照片F(xiàn)ig.1 Macrograph of the fracture in the ear of hinge beam

圖1顯示斷口斷面粗糙，無明顯塑性變形特征，屬脆性斷口，從斷口心部向外邊緣有放射性條紋。

圖2 鉸鏈梁耳朵開裂斷口的微觀形貌照片F(xiàn)ig.2 Micro－morphology of the fracture in the ear of hinge beam

圖2可以看出，斷口形貌為裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌。

圖3 鉸鏈梁耳朵開裂斷口區(qū)域鑄造缺陷微觀形貌照片F(xiàn)ig.3 Micro－morphology of casting defects in the fracture zone of the ear of hinge beam

圖3中可見該區(qū)域斷面上密集分布著許多縮松類鑄造缺陷，缺陷放大后為枝晶形貌。

2.2 化學(xué)成分分析

在斷裂鉸鏈梁的耳朵上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見各元素含量均滿足JB／T5000.6－2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ZG35NiCr Mo的技術(shù)要求。

表1 斷裂鉸鏈梁耳朵的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%Table 1 Chemical constituents of the ear from the hinge beam（mass）%

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

在斷裂鉸鏈梁部位用線切割取樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試棒后進(jìn)行拉伸，試樣按耳朵厚度分別取外（1＃）、內(nèi)（2＃）、外（3＃）三件試樣，沖擊試樣按與耳朵中心線平行方向任取4件試樣，分別是1＃、2＃、3＃、4＃，測(cè)試結(jié)果見表2、表3，可見其塑性指標(biāo)斷后伸長(zhǎng)率及斷面收縮率均不符合TB／T5000.6－2007對(duì)ZG35NiCr Mo的技術(shù)要求，韌性指標(biāo)也很低。

表2 斷裂鉸鏈梁耳朵試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the test samples from the cracked hinge beam

表3 斷裂鉸鏈梁耳朵試樣沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 3 Impact test results of the samples from the cracked hinge beam

2.4 能譜分析

圖4顯示鉸鏈梁斷裂試樣中硫含量高達(dá)6.82%，它會(huì)和鋼中的鐵元素結(jié)合，形成低熔點(diǎn)的FeS，在冷卻過程中向鑄件內(nèi)部偏聚，易導(dǎo)致中間裂紋產(chǎn)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn)有較多的雜質(zhì)，主要元素為鈣、硫、鎂、鋁及大量的氧化物和硫化物。

圖5中發(fā)現(xiàn)Cr高達(dá)1.85%，存在成分偏析的原因是由于脫氧產(chǎn)物去除不充分而遺留在鋼液中，尤其是冶煉中產(chǎn)生的夾雜物，特別是Cr2O3和AlO3夾雜，它們?nèi)埸c(diǎn)很高，硬度大，在形成大尺寸夾雜物后，極易產(chǎn)生裂紋。

圖4 鉸鏈梁斷裂試樣能譜分析照片及數(shù)據(jù)Fig.4 EDS results of the sample from the cracked hinge beam

圖5 鉸鏈梁斷裂試樣成分偏析能譜分析照片及數(shù)據(jù)Fig.5 EDS results of the sample component segregation from the cracked hinge beam

2.5 顯微組織分析

垂直于鉸鏈梁耳朵斷面處用線切割取樣并磨制縱向金相試樣4件，分別為1＃、2＃、3＃、4＃，用4%硝酸酒精腐蝕，并在100倍視場(chǎng)條件下觀察其顯微組織。

圖6 鉸鏈梁斷裂試樣硫化物氧化物夾雜擴(kuò)展顯微組織照片F(xiàn)ig.6 The micro graph of sulfide and oxide inclusions in the sample from the cracked hinge beam

表4 試樣夾雜物檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Results of inclusions detection

表5 各個(gè)試樣顯微組織檢測(cè)結(jié)果Table 5 Results of metallographic analysis

圖7 鉸鏈梁斷裂試樣熱處理顯微組織（回火索氏體＋鐵素體）照片F(xiàn)ig.7 The micrograph of the sample from cracked hinge beam after heat treatment（tempered sorbite and ferrite）

3 綜合分析

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，鉸鏈梁化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但從斷口發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重的縮松和大量的氧化物和硫化物夾雜?？s松是鑄造凝固過程中，由于溶液補(bǔ)縮不充分而形成的微區(qū)缺陷。鑄件中任何位置有縮孔或縮松的存在，一方面會(huì)使鑄件有效承載面積減小，另一方面易在縮松部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，使鑄件的力學(xué)性質(zhì)顯著降低，從而導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)［3］。

由能譜分析可知，雜質(zhì)主要元素為鈣、硫、鎂、鋁及大量的氧化物和硫化物。當(dāng)這些夾雜物基體的界面性質(zhì)一定時(shí)，鐵素體在夾雜物上形核，形成的夾雜物附著在鐵素體上，由于鐵素體的強(qiáng)度很低，所以易產(chǎn)生裂紋［4］。晶界處硫化物和氧化物的存在，嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，也會(huì)大大降低鑄件的力學(xué)性質(zhì)，為裂紋形成提供條件。從顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，由各個(gè)試樣的熱處理工藝可知，經(jīng)回火后的鑄件正常，顯微組織為回火索氏體＋鐵素體。但各個(gè)試樣中的夾雜物主要為硫化物和氧化物，這表明煉鋼過程對(duì)其控制得不好，硫化物夾雜呈鏈狀分布，易產(chǎn)生晶間脆性，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，裂紋都是沿著晶界處硫化物和氧化物形核的方向擴(kuò)展，逐漸斷裂。從力學(xué)性能試驗(yàn)已經(jīng)得以證明，硫化物和氧化物夾雜對(duì)鉸鏈梁的材料塑性、韌性指標(biāo)影響非常大，導(dǎo)致塑性、韌性指標(biāo)都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

鉸鏈梁耳朵斷裂是由于裂紋的產(chǎn)生，而鑄件存在大量的氧化物和硫化物夾雜是裂紋產(chǎn)生的主要原因，鑄造縮松和成分偏析也促進(jìn)了鉸鏈梁斷裂的發(fā)生。

（1）雖然鋼水成分硫含量檢驗(yàn)合格，但由于形成低熔點(diǎn)FeS會(huì)向鑄件中心偏聚，導(dǎo)致鑄件心部FeS含量過高而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

（2）鑄件中的脫氧產(chǎn)物含量多，增加了其聚集長(zhǎng)大的幾率，易形成大型夾雜物而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

（3）改進(jìn)冶煉、正火工藝，使鑄造缺陷及缺陷組織得到消除。

（4）可考慮適當(dāng)增加Mo元素的用量，或者采用在A1－A3臨界區(qū)亞溫淬火的方法以減少高溫回火脆性［5］傾向，防止裂紋產(chǎn)生。

［1］ 王享瑞，雷王民，玄真武，何敬暉，董長(zhǎng)順.論化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石技術(shù)最新發(fā)展［J］.超硬材料工程，2010（1）：22－27.

［2］ 王先祖，王蕓.淺析21世紀(jì)是中國(guó)金剛石世紀(jì)［J］.超硬材料工程，2010（1）：31－33.

［3］ 燕樣樣.蝸輪的失效分析［J］.熱加工工藝，2008，37（9）：91，103.

［4］ 趙建床，鑄鐵鑄鋼及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］ 咸陽機(jī)械制造學(xué)院.鋼的熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.