鍛造齒輪傳動軸內(nèi)部缺陷的超聲檢測

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(中信重工機(jī)械股份有限公司，洛陽 471039)

齒輪軸是傳動機(jī)構(gòu)中的重要零件，擔(dān)負(fù)著傳遞作用力和運(yùn)動的作用。目前,對齒輪軸的檢測程序一般是：超聲檢測人員通過檢測獲得相應(yīng)的參數(shù),并依據(jù)檢測獲得的參數(shù)對照相關(guān)質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)，對此類齒輪軸進(jìn)行合格與否的判定；而對于缺陷性質(zhì)的分析，一般從產(chǎn)生的原因及波形特征方面來分析[1]。

在某些情況下，特定的缺陷需要特定的超聲檢測參數(shù)來判別缺陷的危害程度。筆者通過對一個具體齒輪軸的缺陷進(jìn)行超聲檢測分析，來認(rèn)識缺陷特性與參數(shù)的聯(lián)系。

圖1 齒輪軸外觀

在齒輪軸的制造過程中，有一類齒輪傳動軸(見圖1)在熱處理后經(jīng)超聲檢測發(fā)現(xiàn)，在軸的最大直徑中心部位有缺陷。

由于齒輪軸的最大直徑約為φ1 000 mm，在使用中起著重要的作用，因此對缺陷進(jìn)行正確分析與判斷，不僅有利于齒輪軸合格與否的判定，而且對于制造工藝的改進(jìn)，減少廢品的產(chǎn)生都有重要意義。

1 齒輪軸的超聲檢測

對齒輪軸進(jìn)行超聲檢測時，發(fā)現(xiàn)在完好部位出現(xiàn)多次底面回波，且無缺陷波顯示(見圖2)；在有缺陷部位，即齒輪軸的中心部位，出現(xiàn)了明顯的缺陷回波，并伴隨著底波完全消失(見圖3)。

圖2 無缺陷部位底波顯示

圖3 缺陷部位的波形顯示

超聲波檢測時發(fā)現(xiàn)缺陷的基本情況(見圖4)為：在圖4所示A段缺陷的最大當(dāng)量為φ7.5 mm，一般在當(dāng)量φ2～5 mm之間，缺陷位于軸的中心φ100 mm左右，缺陷對底波的影響最嚴(yán)重處，底波降低量大于26 dB。

圖4 缺陷分布位置示意

2 超聲檢測結(jié)果分析

超聲檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷已經(jīng)超出了相關(guān)質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)的要求，但對于缺陷性質(zhì)的判定以及產(chǎn)生原因還需要進(jìn)一步分析。

制造此齒輪軸的前期工藝流程為：澆鑄鋼錠→鍛造→粗加工→超聲波檢測→調(diào)質(zhì)熱處理→半精加工→超聲波檢測→發(fā)現(xiàn)問題。

可能產(chǎn)生缺陷的階段有：澆鑄鋼錠、鍛造和調(diào)質(zhì)熱處理階段，但是在粗加工后的超聲檢測階段沒有發(fā)現(xiàn)問題。因此，產(chǎn)生缺陷的階段就有可能是調(diào)質(zhì)熱處理。如果對粗加工后的超聲檢測結(jié)果產(chǎn)生懷疑，那么，缺陷產(chǎn)生階段將擴(kuò)大到粗加工前。

對缺陷分析更直接和有效的方法是將缺陷解剖并進(jìn)行金相分析?？紤]到齒輪軸的尺寸和缺陷分布的特點(diǎn)，采用直徑約為200 mm的試棒，并對試棒進(jìn)行解剖，圖5為試棒外觀及對試棒進(jìn)行超聲檢測的波形。

圖5 試棒外觀及其超聲檢測波形

將試棒沿垂直于軸向方向鋸開，可以看到如圖6(a)所示的開口性缺陷。對缺陷進(jìn)行超聲檢測，得到如圖6(b)所示的波形。從直觀上看缺陷可能是縮管或裂紋，還需要進(jìn)一步取樣進(jìn)行金相分析。

圖6 解剖后缺陷外觀及缺陷波形

3 試樣金相檢驗結(jié)果及分析

3.1 試樣金相檢驗結(jié)果

(1) 在缺陷處切取試樣，其裂口外觀及放大照片如圖7所示。沿圖7上標(biāo)識的直線開槽壓斷口，試樣斷口外觀及其放大照片如圖8所示。可見，壓斷部位斷口正常，沒有發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)、夾雜、裂紋等缺陷，在孔洞附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物和氧化皮等異物，斷口表面粗糙不平。

圖7 試樣裂口外觀及其放大照片

圖8 試樣斷口外觀及其放大照片

(2) 將試樣磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察夾雜物，按標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對其評級，試樣的缺陷部位與正常部位的夾雜物均不超標(biāo)；把試樣浸蝕后，在顯微鏡下觀察，其組織為珠光體+鐵素體+索氏體。

圖9 裂口處韌窩形貌

圖10 粗糙的內(nèi)裂斷口形貌

(3) 在裂紋處取試樣，置于電鏡下觀察，內(nèi)部裂紋表面較粗糙，高倍下觀察其全部為韌窩狀斷口，沒有光滑自由表面(見圖9，10)。在室溫下，壓斷斷口表面較平坦，主要為解理、準(zhǔn)解理斷口，少量韌窩斷口(見圖11，12)。

圖11 室溫下的壓斷斷口形貌

圖12 解理斷口形貌

3.2 試樣金相檢驗結(jié)果分析

(1) 齒輪軸心部位缺陷位置表面粗糙不平，且無氧化，并在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)斷口全部為韌窩狀，沒有自由表面存在。宏觀觀察和微觀分析也沒有發(fā)現(xiàn)非結(jié)晶條帶，說明該孔洞缺陷并非晶間疏松、縮孔、縮管殘余、二次縮管等缺陷，而是在后期處理過程中產(chǎn)生的裂紋。

(2) 該裂紋原始表面粗糙，電鏡下觀察斷口完全呈現(xiàn)韌窩狀，而壓斷斷口則呈脆性斷裂的解理狀和少量韌窩狀，說明原始裂紋是在較高溫度下形成的。

(3) 大型軸類鍛件在熱處理冷卻過程中，活件表層和心部分別先后冷卻，在冷卻后期外部金屬已經(jīng)冷卻至低溫并發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成強(qiáng)度和硬度較高的外殼，而這時心部金屬的溫度還高于外部；當(dāng)心部金屬繼續(xù)冷卻時，其體積將隨之收縮，而此時外層金屬所形成的堅硬外殼將阻礙心部金屬的收縮；從而在活件的中心部位形成以熱應(yīng)力為主的3向拉應(yīng)力，其最大拉應(yīng)力作用在截面的中心處(活件長度方向和直徑方向的中心部位)。

有時心部金屬在這種3向拉應(yīng)力的作用下，其自身強(qiáng)度將不足以抵抗巨大的拉應(yīng)力，從而發(fā)生開裂[2]。因此對于大型工件，有時即使在緩速中淬火也會有裂紋產(chǎn)生。

(4) 另外，本件齒輪軸心部組織存在較嚴(yán)重的微觀偏析現(xiàn)象。該組織偏析的存在顯著降低了材料的強(qiáng)度，特別是在冷卻過程中裂紋通常沿材料中的薄弱環(huán)節(jié)擴(kuò)展。

(5) 由于大型鍛件心部組織在淬火冷卻時通常不發(fā)生馬氏體相變，因此具有較好的塑性變形能力；活件裂開后，隨著應(yīng)力的釋放，裂紋擴(kuò)展的勢頭被顯著遏制并停止擴(kuò)展；同時裂口兩邊將在拉應(yīng)力消失后發(fā)生回復(fù)性的塑性變形，從而導(dǎo)致裂口外觀呈現(xiàn)孔狀而非通常的扁平狀。

(6) 此外，解剖的齒輪軸內(nèi)部裂紋走向為與軸向呈約45°角的縱向裂紋，而解剖方向為橫向，內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向示意如圖13所示，從而導(dǎo)致在解剖所得截面上直接看到的斷面兩邊不完全對稱，類似于孔洞的現(xiàn)象。

圖13 內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向示意

4 結(jié)論

(1) 在超聲檢測鍛件時，缺陷引起的底波降低量的大小對缺陷的危害性判定起著重要作用。

(2) 特定條件下產(chǎn)生的裂紋形狀類似孔形。

(3) 大型鍛件淬火時，應(yīng)預(yù)防由心部應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋。