圓錐齒輪軸失效分析及改進

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 （石嘴山 753001） 喬燕芳 馬立業 虎 巖

如圖1所示圓錐齒輪軸是我公司某產品中的關鍵零件，材料為18CrNiMo7-6，圖樣要求滲碳淬火58～62HRC，心部硬度40～43HRC。工藝流程：鍛造→粗車→調質→半精加工→滲碳淬火→精加工。在使用過程中發生斷裂現象，斷裂部位均發生在軸的尾部臺階處。

圖1

1. 宏觀觀察及斷口分析

斷裂部位集中在兩處，一是臺階的圓角處，斷口比較齊，另外就是軸尾部的鍵槽處。由于使用環境惡劣，軸的斷口大部分受到污染，粗步判斷軸的尾部應力太大，屬于脆性斷裂。

2. 化學成分檢驗

經化學成分檢驗發現，成分波動較大，熱處理過程不容易準確控制。為此，從原材料入手，控制材料主要成分C、Cr的波動范圍，目的是根據每爐的實際成分隨時調整熱處理工藝。

3. 硬度及金相組織檢驗

根據GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》取樣，使用線切割在斷裂處切片檢查硬度，在裂紋處取樣做金相分析，結果見圖2。

切片檢查硬度，從軸徑外側到心部硬度依次為44.1HRC、43.1HRC、42.1HRC、41.7HRC、41.3HRC。硬度表明，斷裂軸徑從外到里，硬度變化非常小，硬度梯度很小。同時，金相組織從外到里差別很小，均是馬氏體+鐵素體，根據JB/T6141.3-1992《滲碳金相組織評級》殘留奧氏體2級、馬氏體2級、碳化物2級、心部鐵素體2級。

圖2 斷軸裂紋處金相

4. 表面應力測試

通過測試，發現軸的表面存在拉應力，說明軸在滲碳淬火后的加工過程產生了應力集中現象。

失效原因分析：從檢驗結果看，斷裂軸徑從外到里，硬度符合圖樣要求（40～43HRC），但變化非常小，即硬度梯度很小，同時金相組織又差別不大，說明在滲碳、淬火過程中，整個軸徑被淬透了。其次，由于軸的表面拉應力的作用，在使用過程中，不能通過適量的塑性變形來降低應力集中及阻止裂紋的擴展。同時，由于鍵槽加工不良產生的尖角和刀痕更加速了裂紋的形成和擴展。

5. 改進方法探討

（1）加大軸斷裂處臺階的過渡圓角，降低粗糙度，減小應力發生。

（2）通過試驗，延緩滲碳淬火冷卻時間和冷卻強度，可以有效改善組織，減少斷裂現象。改進熱處理過程后的金相組織結果見圖3。

圖3 調整工藝后的組織

（3）不同直徑的軸熱處理后內部應力不同，滲碳淬火工藝也應不同。

（4）由于化學成分波動比較大，造成熱處理滲碳淬火過程很難有效控制，因此，控制材料的碳等主要元素的波動范圍，縮小減少材料的淬透性帶寬，也可以有效改善軸的組織狀況，減緩軸的斷裂現象。

（5）延緩滲碳淬火冷卻時間、冷卻強度和控制材料的化學成分不能同時使用，否則會降低軸的強度，應針對不同含量的材料使用不同的工藝。

（6）通過先進的毫克能技術降低軸表面的應力，減少應力集中現象。

總之，軸的失效斷裂是多方面的原因造成的，只有從零件的結構設計、機械加工、熱處理過程、材料的化學成分等方面“多管齊下”，才會延緩軸的壽命，改善軸的制造質量。