双合金螺杆加工生产技术

  • 发布日期:2016-06-27
  • 摘要: 螺杆一直以来采用38CrMoAl材质的双合金螺杆进行加工生产,多年来一直合作的很愉快。

      螺杆一直以来采用38CrMoAl材质的双合金螺杆进行加工生产,多年来一直合作的很愉快。不过最近有问题发生:新的螺杆装机使用不久,便发生断裂。针对这种情况,螺杆的工程师对此根断裂的螺杆进行了检验。这根断裂的螺杆是经调质处理和最终的渗氮处理后,再经由钳工研磨或磨削、抛光处理,最后装配在注塑机上的。断裂部位剪实物照片图1(a)、(b)。

    双合金注塑机和挤出机用螺杆断裂原因剖析1

     

    1.       宏观分析

    如图1a所示,该螺杆外型尺寸约ф28mm x 1035mm,是变底径等螺距螺杆,动力输入端(即花键端)直径最小,其最小根园直径约为ф18mm。
     观察该断裂螺杆发现,首先,断裂发生在危险截面上,即轴的根园直径极小值ф18mm处,断口大体上呈现塑性材料扭转断裂破坏的形貌特征,其基体垂直中心轴线处有明显的塑性变形痕迹,见图1b。其次,该轴外表面大范围出现呈脆性材料扭转开裂破坏的形貌特征,开裂痕迹平行排列,大致与中心轴线相交45°角,见图2。
     双合金注塑机和挤出机用螺杆断裂原因剖析2

     

    2.硬度检验及化学成分检验

    2.1硬度检验
     在HR-150A型洛氏硬度计上测得断裂轴基体(心部)的硬度如下:22.5HRC,22.0HRC,22.5HRC,此数据显示基体(心部)硬度较低。
     在Akashi MVK-H3显微维氏硬度计上测量离表面不同距离直到心部的硬度,如表1所示。可见,硬化层从表面向内部的硬度梯度分布比较平滑。
    2.2 化学成分检验
     化学成分见表2,表明化学成分符合合金结构钢GB3077-88标准规范。
     
     

    3.金相分析

     在断裂面附近及其它部位用电火花线切割法取样并按制样规范制备金相试样进行金相分析,其金相组织见图3、4、5、6.
    3.1 原材料存在带状偏析和夹杂物
     检验分析的样品存在带状偏析,见图3和图4。

     

     图中暗带处是碳和合金元素富集区,测得的硬度为255HV0.05。而亮带处则是碳和合金元素相对贫乏的区域,测得的硬度为220 HV0.05。夹杂物见图4。由以上检验可见,该被检验样品组织中夹杂物与带状偏析共存。螺杆用38CrMoAl制造,因该材料富含Al,而Al含量达到一定数值时容易导致材料出现偏析现象和脱碳敏感。如果原材料带状偏析严重,常规热处理后其带状组织难以改善,而且热处理时带状组织会导致产生附加应力,从而增大淬火变形开裂倾向。本检验螺杆的带状偏析尚不严重。

     

    3.2 渗氮层组织和基体组织
     表面渗单层的组织为渗氮索氏体+脉状氮化物。扩散层中脉状氮化物为2-3级,见图5。参考GB11354-89标准评定,属合格。整个渗氮层组织过度较为平滑,与表层硬度分布曲线相对应。基体组织为回火索氏体。图6显示,基体组织中原淬火态的马氏体位向关系已经完全消失。可见,调质回火所选的工艺温度较高,导致螺杆硬度偏低。实测样品块的基体硬度≤23HRC也证实了这一点。

    4.分析讨论及结论

     从以上常规的硬度检测、化学成分检测和金相分析可见,该材料成分符合标准规范,渗氮层组织无明显过热现象;但基体组织硬度偏低,而硬度与强度有一定的对应关系:即硬度低强度也相对偏低。从以上结果分析,该轴调质处理过程似有温度偏高现象。螺杆精调质处理后精磨前需精表面渗氮处理,以提高表面硬度。由于该轴基体硬度低,这样就使轴呈表面薄壳硬化状态。图2显示该轴呈脆性材料扭转开裂破坏的形貌特征,即螺杆表面裂纹大致平行排列且与中心轴线相交45°角。
     从而对该螺杆受力情况的分析可知,螺杆除承受轴向压缩应力外,主要承受扭转扭矩作用,出料端所受扭矩最小。尽管螺杆设计制造变成直径等螺距给我们对其受力分析带来影响,但还是可以近似地认为从出料端算起到螺旋线的另一端(近花键端),所受扭矩呈线性递增。因为最小根园直径很接近螺旋线的尽头,所以该处理近似承受扭矩极大值。很自然在过载或螺杆强度不足的情况下,将首先在挤出螺杆危险界面发生破坏。
     综合以上情况可得结论:螺杆圣手扭转扭矩作用而发生早期断裂,基体硬度低、强度不足是导致早期断裂失效的主要原因。造成基体硬度低有两方面的可能:一是设计硬度值太低;二是热处理工艺不当,调质的实际回火温度或后续渗氮的温度过高(设定过高或控制仪表误差)。

     


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