齒輪軸表面裂紋缺陷分析

■ 范王展

2014年12月，某廠在精車齒輪軸的光軸部位時表面出現軸向裂紋缺陷，裂紋沿軸向分布，數量不一，細而直，長度1～6mm不等。出現裂紋后，在加工面上繼續車1mm后，又出現新的裂紋，裂紋具體形貌見圖1。

1. 分析

（1）化學成分分析 在軸上取樣，進行鋼材化學成分分析，結果見附表。由附表可見，各元素的含量正常，均符合技術要求。

（2）金相分析 在垂直裂紋方向進行剖切，裂紋截面金相見圖2。裂紋垂直深度約0.03mm，寬度約0.05mm；裂紋未向內延伸；腐蝕后觀察，裂紋周圍組織為正常正火組織。

在軸上取金相試樣觀察，在縱截面上發現數條長度0.5～1.3mm的夾雜物條帶，寬度在0.01～0.02mm之間（見圖3a）；在橫截面上觀察到大量點狀、短片狀缺陷（見圖3b）。

（3）掃描電鏡 在掃描電鏡下對缺陷部位進行化學成分分析，結果顯示缺陷區域化學成分主要為O、Al、Ca、Na以及少量的S和K。

齒輪軸化學成分（質量分數） （%）

2. 結果討論

從缺陷宏觀形貌分析，由于裂紋無金屬光澤，且將缺陷部位繼續車1mm后又出現新的裂紋，因此裂紋缺陷不僅在零件表面、且在零件內部已經形成，進而斷定缺陷不屬于機加工裂紋，該推斷經過磁粉檢測得以驗證（見圖4）。

對肉眼可見的缺陷用記號筆標出，在磁粉檢測前，零件上共可見7處缺陷，經過磁粉檢測，可以看出零件表面聚集了大量缺陷。

從金相檢測結果來看，由于缺陷周圍為正常的正火組織，未出現脫碳現象，說明在鍛造時裂紋并未從毛坯件內部裂至表面，缺陷是密閉的閉合狀態。

從掃描電鏡結果來看，產生裂紋的根本原因是鋼材出現材質缺陷，主要為氧化夾雜物。尤其是夾雜物中含有保護渣的成分Na、K元素，說明是保護渣卷渣造成的夾雜。

根據文獻描述，該缺陷的準確定義應為發紋缺陷，該缺陷以埋藏在鋼材表層10mm以內位置居多。

3. 結論與改進措施

零件表面裂紋實際是鋼材發紋缺陷，其根本原因是由于鋼液保護渣卷入造成的非金屬氧化物夾雜引起的。

為進一步加強對入廠鋼材非金屬夾雜物的控制，采取了以下措施：一是進行頭尾爐管理。對每個澆次的頭爐和尾爐，要求在頭坯和尾坯上取樣，進行夾雜物檢驗分析；二是對鋼材進行塔形檢驗。通過以上措施，取得了良好效果，在生產中再未出現批量性發紋缺陷。

圖1 裂紋缺陷宏觀形貌

圖2 裂紋部位截面金相分析

圖3 軸上試樣顯微觀察

圖4 零件磁粉檢測前后對比