晶界氧化 Intergranular Oxidation ( IGO )－leometwu的部落格

據送驗者稱:生產多年的產品, 這批突然發生許多支破裂被退貨. 此案兩年前找台中xx中心分析, 被婉言推掉. 延宕兩年, 趕貨壓力沒有了後, 為了結案. 經人介紹找吳老師分析. 7月中旬我出了我的分析報告. (後面照片以下的文字敘述為報告內容)

今(9-24-2010)此位於神岡的熱處理廠的顧問來電反駁說:吳老師判定不對, 應該是肉厚太薄+使用不當導致破裂. 說我收送驗者費用為他說話. (怎不想想: 生產多年的產品, 怎麼會到這一批才肉厚太薄?). 他們要送有公信力的單位檢驗. 我建議先以兩對照組做實驗: 一組磨去,一組保留粒界氧化層. 兩組接受摧殘試驗(abuse test)或更簡單一點:耐壓試驗. 比較兩者始裂負載值後就可印證破裂是否由粒界氧化層引發.

該鎂光熱處理廠的顧問來電中還辯說: 滲碳發生粒界氧化是常態. 又說: 粒界氧化層不會引起破裂. (很有創意的論點, 我請他把此論點發表在文章回應來公開討論, 卻一直未見其回應.)

我認為: 如果在該廠粒界氧化是常態,(深度多少是重點) 應事先告知業者, 受拉應力的關鍵位置要研磨去除粒界氧化層.( 各批間總會有輕重之別. 可能這次粒界氧化太嚴重才出事). 如果不是常態, 應趕快檢討應該如何減少/降低此類疏失. 其實 12um 粒界氧化是廣被接受的, 如果30~40 um 疲勞壽命一定出問題.

A B C: 機械廠把錐孔與外部螺牙都經過砂輪磨去"病灶"---粒界氧化層, 唯獨留下前端未磨去, 不解. 還是說, 這一批較嚴重, 照往常的研磨量, 沒法完全去除粒界氧化層. All surface in the front of the axis were grounded after carburization, EXCEPT the nose area, leaving IGO remain there.

照片E: 錐孔開口最前端皮下30 μm有晶(粒)界氧化現象(見照片L). 此為滲碳缺失. 這層很容易引發微裂 (initiate micro-cracks). Below:Nose end surface found to have a layer of 30 μm intragranular oxidation which served as crack initiation sites.

E

照片F: 內孔表皮下的粒界氧化. (蝕後再輕拋) 平坦光亮處為回火麻田散鉄(強度很高). 晶界黑線則為強度較低的微細波來鉄. IGO on bore surface.

晶界出現微細波來鉄. 主要原因是滲碳爐氣控制(或操作)不當, 讓滲碳件接觸到氧, 氧將晶界上的合金”吃掉”, 晶界上合金含量不足, 油淬時硬化能不足, 就產生不了淬火的目標組織---全麻田散鉄 (Martensite 白色部份).

G

H

斜度孔開口最前端表面正面所見的晶(粒)界氧化現象.

最前端表面是圓弧面. 所以經砂紙輕磨, 拋光, 浸蝕, 再輕輕拋光後, 顯現出不均勻的結果(照片H:中央磨掉最多, 晶界氧化層已磨掉). 但無礙於觀察.
J K

下:照片L. 不能用粗砂紙磨(一磨就不見了) 錐孔前端我用#2000砂紙輕磨, 再經拋光後, 浸蝕. 50X. 因為是弧面, 聚焦面積有限, 但無礙觀察. Below, nose end of the taper hole, polished and etched. observed directly under OM. 50X at 10x8 cm

分析結果

1. 材料成份無誤: 材料夾雜物非常少, 清淨度良好.(見照片F,G)

2. 引發破裂的罪魁禍首是錐孔端面晶界上的微細波來鉄組織. 這是滲碳爐氣控制不良, 晶界被氧化, 晶界失去合金所引起的缺失. 責任在滲碳熱處理廠商.

說明:

觀念A: 材料之破裂必經兩個階段: 1.微裂之形成; 2.微裂之蔓延, 終至破裂. 此兩個階段進行的難易度, 主宰任何機件的使用壽命.

觀念B: 一長串鉄鍊, 中間置入一鋁製環節, 取代其中一節鉄製環節. 此串”混合”鉄鍊受力時, 一定是鋁環節首先被拉開. 鉄環節雖強度高卻毫無用武之地.

此心軸端面有約30μm的晶界氧化層. 晶界上的微細波來鉄(強度遠較麻田散鉄低), 就是破裂起源的潛在位置. 也就是說, 使用前破裂第一階段已經準備就緒. 使用中一旦受(拉)應力, 很容易就從此處產生微裂. 在很短的期間內, 就進行了破裂的第二階段.

鑽孔時, 錐度孔受上推力, 內錐面往外的分力, 會使孔端面產生一沿著圓周方向的環向拉應力(hoop stress). 此環向應力很輕易的就把端面的麻田散鉄/微細波來鉄界面拉扯開來而生微裂.微裂於使用中迅速往上蔓延而生破裂.受拉應力時, 端面的微細波來鉄, 就像上述觀念B裡所述鉄鍊中的鋁環節, 是害群之馬. 旁邊數量眾多, 且強度很高的麻田散鉄, 對此拉應力一點都幫不上忙.(受壓應力時, 無礙)

補救之道: ( 尚未使用者, 只要重工即可.不必報廢. 重工費用由熱處理廠負責. 應屬合理).

既然知道引發破裂的是錐孔端面的晶界氧化層. 用砂輪研磨, 把這層晶界氧化層除去後, 鑽軸就可擁有其正常壽命. 至於內部小孔內的晶界氧化層, 鑽孔時受的是壓應力, 其不良影響較小, 可暫時不予理會. 但滲碳時最好是不要發生此缺失.

下圖: 表面微裂往內部蔓延的示意圖. 上述例子並未嚴重到生 internal oxides.照片H, J, K 中的黑線就是下圖中的 Non-martensitic microstructure.(非 M 組織)

上網抓下的相關照片.

後記:

業主說未找吳老師檢驗之前, 原先是要扣材料商的款. 我告訴他說, 鋼材分光分析的成份無誤, 清淨度優良, 沒理由找鋼材行揹黑鍋的. 缺失是熱處理廠引起, 就應找熱處理廠.

以下是美國冶金熱處理論壇的一個貼文:

I agree with him that the surface of the threads appear to have EXTENSIVE intergranular oxidation (IGO)嚴重的晶界氧化 that occurred during heat treating. The rest of the case has been machined so that the oxidized surface is no longer remaining. It is extremely poor practice(滲碳技術極差) to produce that level of IGO(才會產生此程度的IGO) on a part, and even worse to leave it on any surface that is heavily loaded(更糟的是把它留在受高應力的表面), and the threads of a die case certainly qualify as that. The reduction in fatigue life will probably be on the order of 10x for that condition.(疲勞壽命減少10倍)