分享：QT500-7球墨鑄鐵行星架斷裂原因

拖拉機(jī)變速箱采用行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，行星架是行星齒輪變速箱行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要零件，起到安裝和支撐的作用，在運(yùn)行過程中行星架受外力矩的作用較大[1]。另外，行星架和20MnCr5H鋼太陽輪軸相配合，因此要求其具有高強(qiáng)度、高韌性，行星架的可靠性直接影響整個(gè)機(jī)組的可靠性。某行星架在使用約400 h后發(fā)生斷裂，材料為QT500-7球墨鑄鐵，硬度要求為179~240 HBW。行星架采用砂型鑄造方式成型，生產(chǎn)工藝流程為：造型→熔煉→澆注→清理→入庫→機(jī)械加工→清洗等。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了行星架斷裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

開裂行星架的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：行星架從花鍵套端部開裂至底部，花鍵套內(nèi)花鍵磨損嚴(yán)重；將行星架沿花鍵套底部切開，發(fā)現(xiàn)較多鑄造夾渣、縮孔和疏松缺陷，鑄造缺陷面積約為3 cm2，缺陷主要集中在與主體連接處，即熱節(jié)處，行星架毛坯花鍵套部位壁厚約為20 mm；行星架開裂源1位于距花鍵套端部約13 mm的外表面，開裂源2位于花鍵套底部鑄造缺陷處，未見明顯加工缺陷，斷口未見明顯塑性變形，斷口邊緣未見剪切唇，斷裂性質(zhì)為脆性斷裂[2-3]。 

圖  1  斷裂行星架的宏觀形貌

1.2   掃描電鏡（SEM）分析

利用掃描電子顯微鏡觀察行星架斷裂源處的形貌，結(jié)果如圖2所示。鑄造缺陷處的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：鑄造缺陷位置有較多孔洞，可觀察到自由凝固的枝晶形貌[4-5]。 

圖  2  斷裂源處SEM形貌

圖  3  鑄造缺陷處的SEM形貌

1.3   力學(xué)性能測(cè)試

在行星架壁厚約16 mm處取拉伸試樣和硬度試樣，試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的抗拉強(qiáng)度低于GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》對(duì)QT500-7球墨鑄鐵的要求，試樣的硬度低于圖紙技術(shù)要求。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在行星架斷裂源處取金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：兩處斷裂源的組織區(qū)別不大，石墨球化級(jí)別為3級(jí)，石墨大小為6級(jí)(體積分?jǐn)?shù)為60%)+7級(jí)(體積分?jǐn)?shù)為40%)，珠光體的體積分?jǐn)?shù)約為5%，未發(fā)現(xiàn)明顯磷共晶和碳化物。 

圖  4  斷裂源處的微觀形貌

2.   綜合分析

行星架花鍵套底部有嚴(yán)重的夾渣、縮孔和疏松缺陷。夾渣缺陷的產(chǎn)生原因?yàn)闈沧⒔饘僖翰患儍?，或澆注過程控制和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，使熔渣、低熔點(diǎn)化合物及氧化物等裹在金屬液中流入型腔，最終產(chǎn)生了夾雜類缺陷?？s孔和疏松缺陷的產(chǎn)生原因?yàn)榱慵谀踢^程中金屬液得不到及時(shí)補(bǔ)縮[6]，此外，鐵水凝固時(shí)形成樹枝狀晶，主干先凝固，樹枝狀晶由于溶質(zhì)元素的聚集，成為最后局部凝固部分，從而產(chǎn)生了疏松缺陷[7-8]?？s孔和疏松容易成為受力或應(yīng)力集中點(diǎn)，降低零件使用過程中的可靠性，縮短零件的使用壽命。鑄件壁厚設(shè)計(jì)不合理，使凝固過程中不能形成有效的補(bǔ)縮通道，無法實(shí)現(xiàn)順序凝固；澆冒口體積小，布置不合理，造成補(bǔ)縮效果不明顯[9]。這些鑄造夾渣、縮孔和疏松缺陷會(huì)破壞基體的連續(xù)性，降低鑄件的致密度，從而降低其有效承載能力，嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量和使用壽命。行星架的力學(xué)性能雖然不達(dá)標(biāo)，但從批量使用情況看，仍在設(shè)計(jì)的安全系數(shù)內(nèi)。 

針對(duì)行星架產(chǎn)生的鑄造缺陷提出以下預(yù)防措施：（1）控制鐵液成分，盡量提高金屬液的出爐溫度，選擇適宜的靜置時(shí)間，以促進(jìn)非金屬夾雜物的上浮和聚集，應(yīng)設(shè)置集渣包和擋渣裝置，以避免產(chǎn)生夾渣缺陷；（2）在鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理布置澆冒口和冷鐵，適當(dāng)提高澆注溫度，提高冒口的補(bǔ)縮能力；（3）結(jié)合前期鑄造工藝設(shè)計(jì)以及鑄件情況，降低行星架花鍵套處的加工余量，使鑄件壁厚控制為12~15 mm，縮短該部位的凝固時(shí)間，從而減少縮孔和疏松缺陷，提高行星架的整體質(zhì)量，滿足性能要求。 

在行星架生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在鐵液成分配比方面，控制好碳當(dāng)量。 

3.   結(jié)論及建議

行星架的開裂原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)熱節(jié)以及補(bǔ)縮不到位，導(dǎo)致零件產(chǎn)生集中連片的縮孔、疏松、夾渣缺陷，嚴(yán)重影響了基體的連續(xù)性，并造成應(yīng)力集中，在外力的作用下，行星架發(fā)生斷裂。 

建議產(chǎn)品部門完善驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，按照批量對(duì)行星架易出現(xiàn)縮孔、疏松、夾渣缺陷的位置進(jìn)行檢測(cè)。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)