鍛造齒輪傳動軸內部缺陷的超聲檢測

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(中信重工機械股份有限公司，洛陽 471039)

齒輪軸是傳動機構中的重要零件，擔負著傳遞作用力和運動的作用。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的參數,并依據檢測獲得的參數對照相關質量驗收標準，對此類齒輪軸進行合格與否的判定；而對于缺陷性質的分析，一般從產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行超聲檢測分析，來認識缺陷特性與參數的聯系。

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)在熱處理后經超聲檢測發現，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，減少廢品的產生都有重要意義。

1 齒輪軸的超聲檢測

對齒輪軸進行超聲檢測時，發現在完好部位出現多次底面回波，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

超聲波檢測時發現缺陷的基本情況(見圖4)為：在圖4所示A段缺陷的最大當量為φ7.5 mm，一般在當量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 超聲檢測結果分析

超聲檢測發現的缺陷已經超出了相關質量驗收標準的要求，但對于缺陷性質的判定以及產生原因還需要進一步分析。

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→調質熱處理→半精加工→超聲波檢測→發現問題。

可能產生缺陷的階段有：澆鑄鋼錠、鍛造和調質熱處理階段，但是在粗加工后的超聲檢測階段沒有發現問題。因此，產生缺陷的階段就有可能是調質熱處理。如果對粗加工后的超聲檢測結果產生懷疑，那么，缺陷產生階段將擴大到粗加工前。

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

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，還需要進一步取樣進行金相分析。

圖6 解剖后缺陷外觀及缺陷波形

3 試樣金相檢驗結果及分析

3.1 試樣金相檢驗結果

(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，沒有發現白點、夾雜、裂紋等缺陷，在孔洞附近未發現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，按標準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；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 粗糙的內裂斷口形貌

(3) 在裂紋處取試樣，置于電鏡下觀察，內部裂紋表面較粗糙，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，并在電鏡下觀察發現斷口全部為韌窩狀，沒有自由表面存在。宏觀觀察和微觀分析也沒有發現非結晶條帶，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冷卻至低溫并發生組織轉變，形成強度和硬度較高的外殼，而這時心部金屬的溫度還高于外部；當心部金屬繼續冷卻時，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力為主的3向拉應力，其最大拉應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向拉應力的作用下，其自身強度將不足以抵抗巨大的拉應力，從而發生開裂[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生。

(4) 另外，本件齒輪軸心部組織存在較嚴重的微觀偏析現象。該組織偏析的存在顯著降低了材料的強度，特別是在冷卻過程中裂紋通常沿材料中的薄弱環節擴展。

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

(6) 此外，解剖的齒輪軸內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，內部裂紋擴展方向示意如圖13所示，從而導致在解剖所得截面上直接看到的斷面兩邊不完全對稱，類似于孔洞的現象。

圖13 內部裂紋擴展方向示意

4 結論

(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) 特定條件下產生的裂紋形狀類似孔形。

(3) 大型鍛件淬火時，應預防由心部應力產生的裂紋。