圖 1 斷裂行星架的宏觀形貌
分享：QT500-7球墨鑄鐵行星架斷裂原因
拖拉機變速箱采用行星傳動結構，行星架是行星齒輪變速箱行星傳動結構中的一個重要零件，起到安裝和支撐的作用，在運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度、高韌性，行星架的可靠性直接影響整個機組的可靠性。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→機械加工→清洗等。筆者采用一系列理化檢驗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
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，花鍵套內花鍵磨損嚴重；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，斷裂性質為脆性斷裂[2-3]。
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 力學性能測試
在行星架壁厚約16 mm處取拉伸試樣和硬度試樣，試樣的力學性能測試結果如表1所示。由表1可知：試樣的抗拉強度低于GB/T 1348—2019《球墨鑄鐵件》對QT500-7球墨鑄鐵的要求，試樣的硬度低于圖紙技術要求。
Table 1. 試樣的力學性能測試結果
| 項目 | 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% | 硬度/HBW |
|---|---|---|---|---|
| 試樣1實測值 | 352 | 459 | 20.0 | 167，167，170 |
| 試樣2實測值 | 354 | 459 | 21.5 | 174，174，176 |
| 標準值 | ≥320 | ≥500 | ≥7 | 179~240 |
1.4 金相檢驗
在行星架斷裂源處取金相試樣，利用光學顯微鏡對其進行觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：兩處斷裂源的組織區(qū)別不大，石墨球化級別為3級，石墨大小為6級(體積分數(shù)為60%)+7級(體積分數(shù)為40%)，珠光體的體積分數(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重的夾渣、縮孔和疏松缺陷。夾渣缺陷的產(chǎn)生原因為澆注金屬液不純凈，或澆注過程控制和澆注系統(tǒng)設計不合理，使熔渣、低熔點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。縮孔和疏松缺陷的產(chǎn)生原因為零件在凝固過程中金屬液得不到及時補縮[6]，此外，鐵水凝固時形成樹枝狀晶，主干先凝固，樹枝狀晶由于溶質元素的聚集，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力集中點，降低零件使用過程中的可靠性，縮短零件的使用壽命。鑄件壁厚設計不合理，使凝固過程中不能形成有效的補縮通道，無法實現(xiàn)順序凝固；澆冒口體積小，布置不合理，造成補縮效果不明顯[9]。這些鑄造夾渣、縮孔和疏松缺陷會破壞基體的連續(xù)性，降低鑄件的致密度，從而降低其有效承載能力，嚴重影響鑄件質量和使用壽命。行星架的力學性能雖然不達標，但從批量使用情況看，仍在設計的安全系數(shù)內。
針對行星架產(chǎn)生的鑄造缺陷提出以下預防措施：（1）控制鐵液成分，盡量提高金屬液的出爐溫度，選擇適宜的靜置時間，以促進非金屬夾雜物的上浮和聚集，應設置集渣包和擋渣裝置，以避免產(chǎn)生夾渣缺陷；（2）在鑄造工藝設計時，應合理布置澆冒口和冷鐵，適當提高澆注溫度，提高冒口的補縮能力；（3）結合前期鑄造工藝設計以及鑄件情況，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間，從而減少縮孔和疏松缺陷，提高行星架的整體質量，滿足性能要求。
在行星架生產(chǎn)過程中，應嚴格執(zhí)行相應的生產(chǎn)標準和規(guī)范。在鐵液成分配比方面，控制好碳當量。
3. 結論及建議
行星架的開裂原因為結構熱節(jié)以及補縮不到位，導致零件產(chǎn)生集中連片的縮孔、疏松、夾渣缺陷，嚴重影響了基體的連續(xù)性，并造成應力集中，在外力的作用下，行星架發(fā)生斷裂。
建議產(chǎn)品部門完善驗收標準，按照批量對行星架易出現(xiàn)縮孔、疏松、夾渣缺陷的位置進行檢測。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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