万训智 ,吕 犇 ,刘 澄
(扬州大学机械工程学院,江苏 扬州 225127)
汽车飞轮是一个圆盘状带齿零件,位于汽车发动机的后端,是一种利用角动量守恒来储存旋转能量的机械装置。它将发动机的曲轴和汽车变速器的变阻器连接起来,转动后可保持着较大的转动惯量,使发动机曲轴能够惯性旋转,从而传递动力[1-2],可以用来减少发动机运转过程的速度波动,使发动机运转平稳并减振降噪[3-5]。飞轮的质量会直接影响汽车的性能、安全性和舒适性。飞轮由轧辊经过多道冷挤压工序制造而成,因此轧辊的性能对飞轮有着直接的影响。目前工业采用18CrNiMo7-6渗碳钢来制造轧辊,由于该轧辊在飞轮成型过程中经常承受复杂而较大的载荷,这导致其早期失效时常发生。轧辊的主要失效形式为疲劳和磨损[6-7],一旦发生需要频繁更换,严重影响生产效率,直接导致加工成本提高[8]。本研究针对18CrNiMo7-6合金钢轧辊在服役过程中的早期失效进行分析,探究其失效的主要原因,为未来的轧辊工艺优化以及质量提高提供帮助。
本研究采用18CrNiMo7-6低碳合金钢制轧辊,该轧辊经过工业上常用的渗碳淬火处理后[9],在生产厂商制造飞轮服役后出现早期失效(其服役寿命比所要求的低5倍)。轧辊形貌特征如图1所示,主要化学元素成分如表1所示。根据轧辊行业的现有规范,进行过渗碳热处理的轧辊需要表面硬度≥58 HRC,渗碳层深度≥3 mm。通常来讲,渗碳层的硬度值要大于550 HⅤ[10]。
表1 轧辊的主要化学成分(wt/%)
图1 失效轧辊宏观形貌
对失效轧辊进行逐级线切割获得实验用试样,如图2所示。在轧辊横截面切割一个宽度为10 mm的块状试样,并在其受力最大的槽口处切割出15 mm×10 mm×9 mm的U形槽口试样。根据金相制备的标准对试样进行研磨和抛光,最后用2%硝酸酒精溶液进行腐蚀。
图2 线切割过程示意图
采用光学显微镜(Jiannan MR5000)和扫描电子显微镜(Gemini SEM 300)对试样的显微组织进行观察。根据GB/T 230.1—2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分:试验方法》和GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,采用HR-150A洛氏硬度计以及MHⅤ-100显微硬度计对其宏观及微区硬度进行测试。
从图1可以看出,在失效轧辊表面未发现明显的裂纹和材料损失,如图1(a)所示,但是在它侧面,槽口处有明显的剥落和犁沟,如图1(b)所示。
图3为对图2(b)所示试样进行宏观硬度测试的结果,可以看出沿B方向硬度的变化趋势是两边高中间低,硬度值波动较大,如图3(a)所示。图3(b)表明沿着C方向,由槽口底部向心部,硬度呈现先降低,然后保持一段距离后再升高的趋势。需要指出的是,在离槽口约3 mm处硬度迅速降低。
图3 失效轧辊的宏观硬度
对图2(c)试样的C区域进行显微组织观察,如图4所示。从图4(a)可以清楚地看出,轧辊表层的显微组织是由典型高碳回火马氏体(TM)、残余奥氏体(RA)和一些碳化物组成,图4(b)可以观察到回火马氏体较细,呈现细针状。
图4 失效轧辊试样的表层显微组织
图5为失效轧辊的断口形貌。从图5(a)可以看出,裂纹从槽口底端磨损处萌生,逐渐向内部线性扩展。裂纹粗而长,在其扩展的过程中,伴有二次裂纹的产生,与主裂纹接近垂直。在裂纹扩展的过程中,裂纹宽度随着扩展的距离逐渐减少,最终在过渡层中停止。此主裂纹长度为1 600 μm,最大宽度为100 μm。从图5(b)中主裂纹源头可以得知,在复杂和较大的外力作用下,在凹槽表面已明显出现多个早期微裂纹,并随着外力继续加载,这些微裂纹汇集在一起,形成主裂纹,向内扩展。观察还表明,槽口处氧化现象较为明显。
图5 失效轧辊断口形貌
沿着如图6所示的各个箭头方向对试样槽口附近进行显微硬度测试。图6(a)表明,对于A1线、A2线和A3线,从槽口处向内测得横向渗碳层厚度分别为2.50 mm、2.40 mm和1.85 mm。也就是说,越靠近凹槽底部,渗碳层厚度将越薄。图6(b)表明,其右侧渗碳层厚度从上到下分别为2.35 mm、2.00 mm和1.70 mm。纵向线C1线、C2线和C3线,测得其渗碳层厚度分别为1.34 mm、1.17 mm和1.17 mm(图6(c))。以上测试结果说明,在试样的9个方向上,渗层厚度都不均匀,且都未达到渗碳层厚度3 mm的要求。
图6 轧辊槽口周围显微硬度图
如上文所述,18CrNiMo7-6钢轧辊表面显微组织为TM、RA以及碳化物,如图4所示,应具有较高的强度、硬度以及韧性。但从图6可以看出,其槽口周边的硬度分布极其不均匀,靠近槽口相邻的两个点硬度值相差100 HⅤ以上,同时纵向硬度波动很大,如图6(c)所示。当受到循环加载和反复冲压时,由于硬度分布不均匀极易导致应力集中,进而磨损失效。轧辊在服役时,不仅会受到压应力,还会有摩擦力、冲击力以及交变载荷的共同作用,交替作用下,会导致其槽口出现剥落,如图1及图5(b)所示,这也是其早期失效的原因之一。在加工飞轮盘进行高速运动时,会对轧辊槽口产生较大的冲击力作用,因轧辊表面的高硬度区域较薄,如图3、图6所示,亚表层的低硬度区域无法抵抗外力,将协同表层一起发生变形,会产生剥落或形成微裂纹并汇集成主裂纹向内扩展,如图5所示。主裂纹与次裂纹近乎垂直,说明其受载巨大,使轧辊易开裂和磨损。
综上所述,通过对制造汽车飞轮的轧辊进行失效分析可知,轧辊外表面并无明显的损伤痕迹,主要失效在轧辊槽口的底部,具体结论如下。
1)轧辊槽口底部观察到明显的材料剥落及裂纹的萌生和扩展。
2)主裂纹源于轧辊槽口底部即应力最大处,长度为1 600 μm,最大宽度为100 μm,伴随有大量次生裂纹产生。
3)18CrNiMo7-6渗碳钢轧辊经渗碳淬火后,其槽口处的渗碳层厚度不均匀,且低于3 mm设计要求。同时轧辊槽口的硬度分布不均匀,易产生应力集中,导致轧辊早期失效。
4)轧辊的服役条件复杂,所受的载荷大,冲击力强,应力集中在槽口处,循环加载,易造成失效。