Warum ist Ihr Schraubenschlüssel plötzlich kaputt?

Der Drehmomentschlüssel wird hauptsächlich zur Befestigung von Schrauben verwendet, und sein Anwendungsdrehmoment beträgt im Allgemeinen 20%~90% des Drehmoments, das stufenlos einstellbar ist.

Stellen Sie bei der Verwendung zunächst das gewünschte Drehmoment ein und ziehen Sie dann am Griff.

Wenn das Drehmoment den Zielwert erreicht, vibriert der Schlüssel leicht und gibt ein deutliches "Rattergeräusch" von sich.

Nachdem ein Drehmomentschlüssel 3 Monate lang benutzt wurde, brach die Verbindungsstange zwischen dem Kopf und dem Griff.

Um die Ursache des Bruchs herauszufinden, führten die Forscher eine Reihe physikalischer und chemischer Untersuchungen und Analysen durch und verbesserten das Wärmebehandlungsverfahren, um ein erneutes Auftreten solcher Probleme zu verhindern.

1. Physikalische und chemische Untersuchung

1.1 Makrobeobachtung

Der Drehmomentschlüssel ist 1180mm lang und hat ein Drehmoment von 1200N - m.

Der Bruch ereignete sich an der Verbindung zwischen dem Kopf und dem Griff, wie in Abb. 1a) dargestellt.

Da er sich in der Nähe des Kopfes des Schraubenschlüssels befindet, ist die Belastung hier groß.

Abb. 1b) ist eine Verbindungsstange im Inneren des Schlüssels, die hauptsächlich zur Verbindung von Kopf und Griff dient, mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Länge von 350 mm.

Abb. 1c) zeigt die Makromorphologie der Bruchfläche des Drehmomentschlüssels, die in drei Bereiche unterteilt ist:

Zone I ist die Rissursprungszone, die sich am Rand des Risses befindet und 1%~2% der Rissfläche ausmacht;

Zone II ist die Ermüdungsexpansionszone, die hellweiß und halbmondförmig ist und deutliche Ermüdungsstreifen aufweist, die 8%~10% der Bruchfläche ausmachen;

Zone III ist eine flüchtige Bruchzone mit grauer Farbe und deutlichen Risskanten, die etwa 90% der Bruchfläche ausmacht.

Es ist zu erkennen, dass die Pleuelstange bei ihrem Bruch eine große Kraft ausübt, die zu den hochbelasteten Low Cycle Ermüdungsbruch.

Abb. 1 Lage des Schraubenschlüsselbruchs, Verbindungsstange und Makromorphologie des Bruchs

1.2 Analyse der chemischen Zusammensetzung

Die Pleuelstange ist hergestellt aus 40Cr legierter Stahl. Eine zylindrische Probe mit einer Größe von 16 mm x 12 mm wird in der Nähe der Bruchfläche entnommen.

Nach dem Flachschleifen mit einer Schleifmaschine und dem Polieren mit einer Schleifmaschine wird die chemische Zusammensetzung der Pleuelstange mit einem direkt ablesbaren Spektrometer analysiert.

Es wird festgestellt, dass seine chemische Zusammensetzung den technischen Anforderungen der 40Cr legierter Stahl in Legierte Baustähle (GB/T 3077-2015).

1.3 Prüfung der mechanischen Eigenschaften

Die Härte der Pleuelstange nach Abschrecken und Anlassen Die Wärmebehandlung beträgt 22~26HRC.

Von der Pleuelstange wird ein Abschnitt der Probe mit den Maßen ϕ10mm×5mm abgeschnitten.

Die Zugfestigkeit wird mit einer universellen Materialprüfmaschine und die Härte mit einem Rockwell-Härteprüfer gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Zugfestigkeit, Streckgrenzeund die Längung der Pleuelstange entsprechen nicht den technischen Anforderungen.

Tabelle 1 Ergebnisse der Prüfung der mechanischen Eigenschaften von Pleuelstangen

LeistungsindexZugfestigkeit/MPaStreckgrenze/MPaDehnung nach Bruch/%Härte/HRC
Standardwert≥960≥780≥1122~26
Gemessene Werte8707247.524

1.4 Beobachtung des Mikrogefüges

Schneiden Sie die Probe in der Nähe des Bruchs der Pleuelstange an, lassen Sie sie mit Salpetersäure und Ethanol korrodieren und beobachten Sie sie mit dem Mikroskop.

Aus Abb. 2 ist ersichtlich, dass es sich bei der dunkelgrauen Struktur um gehärteten Sorbit handelt, der nach dem Hochtemperaturanlassen aus Martensit umgewandelt wurde, und dass netzförmiger Ferrit und nadelförmiger Ferrit parallel an der Korngrenze des Ausgangsmaterials verteilt sind. Austenit.

Die widmanstatten Struktur ist im Korn in Form eines umgekehrten Dreiecks verteilt.

Der Ferrit in der Widmanstatten-Struktur wird entlang der gewöhnlichen Ebene der Muttergesellschaft ausgeschieden Austenitund der Kristallebenenindex der gewohnten Ebene ist {11 1} γ.

Wenn die Temperatur beim Abschrecken auf die Ac3-Linie sinkt, wird der überschüssige Ferrit aus dem Mischkristall in die Umgebung "entladen", um die Stabilität der Struktur aufrechtzuerhalten, und es bildet sich ein Netzwerkferrit, was ein typisches Merkmal der Hochtemperaturumwandlung ist.

Je langsamer die Abkühlungsgeschwindigkeit ist, desto leichter bildet sich eine Netzwerkferrit- und Widmanstattenstruktur.

Die Pleuelstange erfährt während des Abkühlungsprozesses eine Hochtemperaturumwandlung, was darauf hindeutet, dass ihr Wärmebehandlungsprozess unangemessen ist.

Abb. 2 Mikrostruktur des Pleuelbruchs

1.5 Frakturanalyse

Abb. 3a) zeigt die mikroskopische Morphologie des Anfangsbereichs des Bruchs.

Der Anfangsbereich befindet sich am Rande des Risses. In der Nähe der Rissquelle sind deutliche konzentrische kreisförmige Bainitlinien zu erkennen.

Dies ist ein typisches Merkmal des Ermüdungswachstums, was darauf hindeutet, dass es sich bei der Bruchform um Ermüdungsrissbildung handelt. Die Analyse des Energiespektrums wird für den Kasten in Abb. 3a) durchgeführt, wie in Abb. 3d) dargestellt.

Die Beugungsspitzen von Fe, Cr, Mn und O sind relativ deutlich, was darauf hindeutet, dass die Rissquelle nicht durch Einschlüsse verursacht wird.

Abb. 3b) zeigt die mikroskopische Morphologie der Dehnungszone, und die Ermüdungsstreifen sind schmal, was darauf hinweist, dass die Spannung während der Dehnung gering ist.

Abb. 3c) zeigt die Mikromorphologie der Übergangsbruchzone mit vielen ovalen Grübchen, was darauf hindeutet, dass die Pleuelstange schließlich durch Spannung gebrochen ist.

Abb. 3 Mikromorphologie an verschiedenen Positionen der Bruchfläche der Verbindungsstange und EDS-Spektrum der Boxfläche in Abb. 3a

2 Analyse und Diskussion

Aus der Analyse der Bruchfläche der Pleuelstange geht hervor, dass die Bruchfläche zu ErmüdungsbruchflächeDas Material hat keine Einschlüsse an der Bruchfläche und keine Kratzspuren an der Oberfläche, aber seine Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung entsprechen nicht den technischen Anforderungen.

Aus der Gefügebeobachtung geht hervor, dass das Gefüge an der Bruchstelle aus netzförmigem Ferrit und Widmanstatten besteht, was darauf hindeutet, dass die Temperatur während des Bruches hoch ist. Abschreckung und Anlassenund der Austenit in der Pleuelstange hat eine hohe Stabilität, was zur Bildung von Widmanstatten führt.

Zweitens: Die Verweildauer der Teile vom Wärmebehandlungsofen bis zur Abschreckungsmedium ist lang, was zur Ausscheidung von Ferrit an der Korngrenze und zur Bildung eines Netzwerks führt, das die Festigkeit und die Grenzflächenenergie der Korngrenze verringert und damit die Sprödigkeit des Materials erhöht.

Unter der Einwirkung einer äußeren Kraft beginnt der Riss und dehnt sich bis zur Korngrenze aus, wo die Ferrithärte gering ist, und die Korngrenze wird zum Kanal für die Rissausbreitung.

Daher ist es notwendig, den Wärmebehandlungsprozess der Pleuelstange zu verbessern.

3. Verbesserung des Wärmebehandlungsprozesses

Die Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmebehandlungsprozesses von Pleuelstangen sind:

(1) Die Abschreckungstemperatur wird von 880 ℃ auf 830 ℃ gesenkt.

Die niedrigere Abschrecktemperatur kann die Inhomogenität der Zusammensetzung der Austenit-Mikrozone erhöhen, die thermische Stabilität des Austenits verringern, die Wahrscheinlichkeit der Hochtemperaturumwandlung des Austenits in nadelförmigen Ferrit verringern und die frühe Umwandlung des Austenits in der Mikrozone fördern;

(2) Verkürzung der Haltezeit kann Austenit Kornwachstum und Oberfläche zu vermeiden Entkohlung bei hoher Temperatur;

(3) Beim ursprünglichen Wärmebehandlungsverfahren muss die Pleuelstange, nachdem sie in einer kompakten Reihe im Wagenofen erhitzt wurde, nach dem Einlegen in den Korb abgeschreckt werden.

Die Übertragungszeit beträgt etwa 180 Sekunden.

Nach der Veredelung wird die Pleuelstange im Gitterbandofen zerstreut und erhitzt, so dass sie schnell in das Abschreckmedium eintreten kann.

Die Übertragungszeit beträgt etwa 8 Sekunden. Eine Verkürzung der Übertragungszeit kann die Ausscheidung des Maschenferrits verhindern, die austenitische Struktur fördern, um schnell in die Niedertemperatur-Umwandlungszone einzutreten, und somit die Niedertemperatur-Martensit-Umwandlung hervorrufen;

(4) Die Pleuelstange ist dünn und lang, die Spannung nach dem Abschrecken ist relativ gleichmäßig, und es ist nicht leicht zu knacken.

Das ursprüngliche Abschreckungsmedium ist ein gewöhnliches AbschreckölDie Abkühlungsgeschwindigkeit des Öls ist gering und liegt im Bereich von 550-650 ℃, und die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit beträgt nur 60-100 ℃/s.

Der Temperaturbereich liegt an der "Nase" der kontinuierlichen Umwandlung C-Kurvedie eine schnelle Abkühlung erfordern.

Nach der Verwendung der 12% (Massenanteil) PAG (Polyalkylenglykol)-Lösung wird die Abkühlungsgeschwindigkeit beschleunigt. 

Die mittlere Temperaturumwandlung in diesem Temperaturbereich kann reduziert werden, so dass eine idealere Tieftemperatur Martensitgefüge und es kann eine größere Tiefe der gehärteten Schicht erreicht werden.

Tabelle 2 Vergleich der Parameter des Wärmebehandlungsprozesses vor und nach der Verbesserung

Prozess-ParameterAbschrecktemperatur/℃Haltezeit/minÜbertragungszeit(en)Anlasstemperatur/℃Abschreckendes Medium
Ursprüngliches Verfahren88060180560konventionelles Abschrecköl
Verbessertes Verfahren830501056012% PAG-Lösung

Mit dem verbesserten Verfahren wurde die Pleuelstange wärmebehandelt, und ihre mechanischen Eigenschaften wurden geprüft.

Die Zugfestigkeit betrug 1054 MPa, die Streckgrenze 880 MPa, die Dehnung 12% und die Härte 23HRC, was allesamt den technischen Anforderungen entsprach.

Das Mikrogefüge nach der Wärmebehandlung ist in Abb. 4 dargestellt.

Es gibt keinen netzartigen Ferrit, keine Widmanstatten-Struktur und keinen massiven Ferrit, und die Struktur ist einheitlich und stabil.

Nach einer verbesserten Prozesswärmebehandlung ist die Pleuelstange seit 18 Monaten ohne Bruch im Einsatz.

Abb. 4 Gefüge der Pleuelstange nach der verbesserten Prozesswärmebehandlung

4. Schlussfolgerung

(1) Die Härte der Pleuelstange ist eingeschränkt, und die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung entsprechen nicht den technischen Anforderungen;

Das Mikrogefüge besteht aus gehärtetem Sorbit+retikuliertem Ferrit+Widmanstatten.

Der Bruch gehört zu den Ermüdungsbrüchen. Der Riss geht von der Außenfläche der Pleuelstange aus, und an der Rissquelle gibt es keine Einschlüsse.

(2) Der Grund für den Bruch der Pleuelstange ist, dass der Wärmebehandlungsprozess der Pleuelstange unqualifiziert ist, was zu ihren geringen mechanischen Eigenschaften führt.

Der Wärmebehandlungsprozess wird durch die Senkung der Abschrecktemperatur, die Verkürzung der Haltezeit und der Transferzeit sowie die Erhöhung der Abkühlungsrate verbessert.

(3) Nach der verbesserten Prozesswärmebehandlung entsprechen die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge der Pleuelstange den technischen Anforderungen, und die Pleuelstange ist nach 18 Monaten Betrieb nicht gebrochen.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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