一種主動軸的失效原因及工藝改進

■ 張仙平，李忠亮，任園春，劉海燕

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1.宏觀分析

斷裂發(fā)生在卡環(huán)槽的根部，零件斷裂如圖1所示，卡環(huán)槽表面無磕碰傷等影響表面粗糙度的損傷；零件的斷口形貌如圖2所示，從圖中可看出，零件斷口附近沒有明顯的宏觀塑性變形，且斷面平坦，有明顯的疲勞弧線，符合疲勞斷裂的特征；裂紋起源于卡環(huán)槽表面，疲勞擴展區(qū)域表面平整光滑，明顯的疲勞弧線只出現(xiàn)在瞬斷區(qū)附近，并且瞬斷區(qū)域相對較小。另外，瞬斷區(qū)相對位置和裂紋源存在一定的角度，說明該主動軸所承受的工作應(yīng)力不大。

根據(jù)以上斷口特征可以判定，該主動軸的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞；根據(jù)疲勞弧線背向裂紋源的特征，可看出該軸卡環(huán)槽處的幾何形狀所造成的應(yīng)力集中對裂紋的擴展起到一定的促進作用。為此，在裂紋源處取樣進行材質(zhì)分析。

2.材質(zhì)分析

圖1 零件斷裂部位示意

圖2 斷口形態(tài)

將裂紋源處所取的試樣進行金相分析，試樣經(jīng)磨制、拋光后在光學(xué)顯微鏡下進行非金屬夾雜物檢驗，依據(jù)GB/T10561—2005進行評級，結(jié)果顯示各類夾雜物的評級均為0.5級，非金屬夾雜物評級結(jié)果滿足技術(shù)要求；試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后進行金相組織檢驗，因為該批主動軸零件的熱處理工序為：調(diào)質(zhì)處理和感應(yīng)淬火+低溫回火，所以針對圖樣要求的指標(biāo)逐一進行檢驗。

（1）調(diào)質(zhì)指標(biāo) 試樣腐蝕后的組織為回火索氏體+少量的細條狀鐵素體，如圖3所示，依據(jù)GB/T 13320—2007進行評級，結(jié)果顯示回火組織評級為2級；在調(diào)質(zhì)位置進行硬度檢測，結(jié)果為270～280HBW，均滿足圖樣要求（調(diào)質(zhì)組織≤4級，硬度262～302HBW）。

圖3 調(diào)質(zhì)組織

（2）感應(yīng)淬火指標(biāo) 在斷裂部位（見圖4）取樣，檢測其淬硬層深、馬氏體級別和表面硬度。參照我企業(yè)Q/YT 310.4—2014標(biāo)準(zhǔn)，所檢感應(yīng)淬火結(jié)果如下：斷裂部位軸頸處淬硬層深2.2mm，馬氏體5級（見圖5）表面硬度55～56HRC，符合圖樣要求，但是卡環(huán)槽底部無淬硬層（感應(yīng)淬火層深1～2.5mm，表面硬度52～57HRC）。

圖4 斷裂部位

圖5 淬硬層組織

3.原因分析

通過以上的分析可知，該主動軸起裂于卡環(huán)槽根部，根據(jù)斷口分析可以判定，該軸的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂；通過對其材質(zhì)的分析可知，在試樣上未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物、疏松等材料類缺陷，并且該軸的調(diào)質(zhì)組織和感應(yīng)淬火組織以及相應(yīng)的硬度均滿足圖樣要求，說明該主動軸的材質(zhì)本身狀態(tài)良好；但是值得注意的一點是，在卡環(huán)槽的底部無淬硬層。

一般來說，影響疲勞斷裂失效的主要因素有零件的結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)、材料及其組織狀態(tài)、使用環(huán)境及載荷頻譜等。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)：卡環(huán)槽表面光滑，表面粗糙度滿足要求；在斷口上未發(fā)現(xiàn)腐蝕、高溫等環(huán)境影響；斷口的瞬斷區(qū)較小，且擴展區(qū)域多為光滑細實的平坦面，因此，可排除以上因素對該軸斷裂的影響。

雖然該主動軸材質(zhì)本身狀態(tài)良好，熱處理結(jié)果都滿足要求，但是在卡環(huán)槽處未發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火組織。因為卡環(huán)槽處與零件的其他淬硬區(qū)一樣承受相同的機械應(yīng)力，由于該處未淬火，會使其強度明顯低于淬硬區(qū)的強度，根據(jù)兩處的硬度可以估算，卡環(huán)槽處的強度約為其他淬硬區(qū)的一半，導(dǎo)致該處材料的疲勞抗力大幅降低；從零件殘余應(yīng)力的角度來說，感應(yīng)加熱淬火后，從零件表面往里，會構(gòu)成表面受壓、中間受拉或略微受壓的應(yīng)力特點，拉應(yīng)力的峰值往往出現(xiàn)在硬化層結(jié)束的過渡區(qū)域，并隨著硬化層深度的變淺，拉應(yīng)力峰值趨于表面。從金相分析可以看出，由于卡環(huán)槽處未淬火，導(dǎo)致淬火區(qū)與非淬火區(qū)的過渡帶正好落在卡環(huán)槽根部，加之由于零件幾何形狀而產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響，各種拉應(yīng)力峰值彼此相互交叉，甚至重合疊加，造成該槽底表面處于較大的拉應(yīng)力水平，同樣會降低材料的疲勞抗力。

綜合以上分析，說明卡環(huán)槽底部無淬硬層是導(dǎo)致該批零件失效的主要原因。為此需調(diào)整感應(yīng)淬火工藝，保證卡環(huán)槽底部淬硬層連續(xù)。

4.改進措施

通過對零件的結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合圓環(huán)感應(yīng)器磁力線分布的特性，發(fā)現(xiàn)相對于相鄰的軸徑部位，卡環(huán)槽底部升溫速度慢。所以想要卡環(huán)槽底部有一定的淬硬層深，需要在感應(yīng)器移動至卡環(huán)槽部位時，靜止加熱一定的時間，便于卡環(huán)槽底部達到淬火溫度。但是因感應(yīng)淬火存在尖角效應(yīng)，在該部位加熱時，卡環(huán)槽尖角部位升溫速度會更快。如加熱時間過長，易使尖角部位因溫度過高，在同樣的冷卻條件下，出現(xiàn)淬裂現(xiàn)象，或者尖角部位被燒熔，從而導(dǎo)致零件報廢。因此，工藝的關(guān)鍵點在于合理地控制卡環(huán)槽部位的靜止加熱時間。

該零件生產(chǎn)所用感應(yīng)器規(guī)格為：φ80mm(加裝導(dǎo)磁體)、寬20mm。經(jīng)過多次試驗，將感應(yīng)器移動至卡環(huán)槽處位于感應(yīng)器上端1/3處時，可用最短的加熱時間，使卡環(huán)槽底部達到淬火溫度。按照上述思路，對零件開始進行工藝調(diào)試。

同時，對零件整體熱處理指標(biāo)的檢測顯示，除卡環(huán)槽底部無淬硬層外，其余部位指標(biāo)皆滿足圖樣要求。故此次試驗，在原生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，只針對卡環(huán)槽處進行調(diào)整。

原軸頸處工藝參數(shù)為：功率75kW，移動速度450mm/min。

（1）第一次試驗 試驗方案：在原工藝的基礎(chǔ)上，增加靜止加熱時間，即將感應(yīng)器移動至卡環(huán)槽處，靜止加熱0.1s。待卡環(huán)槽移動至噴水圈位置時，觀察卡環(huán)槽底部溫度。

試驗結(jié)果：按照上述方案，實際生產(chǎn)過程中通過肉眼觀察，卡環(huán)槽底部溫度過低(底部顏色呈暗櫻紅色)，沒有達到淬火溫度。故需要增加靜止加熱時間。

（2）第二次試驗 試驗方案：在第一次試驗的基礎(chǔ)上，將靜止加熱時間更改為0.3s。

試驗結(jié)果：肉眼觀察卡環(huán)槽移動至噴水圈位置時，卡環(huán)槽底部顏色呈亮櫻紅色。淬火后，切檢卡環(huán)槽底部及其相鄰軸頸，檢測其淬火結(jié)果。

經(jīng)切檢，卡環(huán)槽底部兩端有淬硬層，底部中間約2/3的部位依舊無淬硬層。如圖6所示。

（3）第三次試驗 試驗方案：在第二次試驗的基礎(chǔ)上，更改靜止加熱時間為0.5s。

試驗結(jié)果：肉眼觀察當(dāng)卡環(huán)槽移動至噴水圈位置時，卡環(huán)槽底部顏色呈亮紅色。淬火后，切檢同樣部位，檢驗其淬火結(jié)果。

檢測結(jié)果如下：卡環(huán)槽底部淬硬層深1.0mm，相鄰軸頸處淬硬層深2.5mm，如圖7所示。

經(jīng)過上述三次試驗，最終保證軸頸與卡環(huán)槽底部淬硬層連續(xù)，且相鄰軸頸處淬硬層深符合圖樣技術(shù)要求。按照第三次試驗方案，再生產(chǎn)5件該零件，肉眼觀察卡環(huán)槽兩端尖角處溫度無異常，淬火后檢查尖角兩端并無燒蝕等現(xiàn)象發(fā)生。同時，經(jīng)磁粉檢測，無裂紋。

截止目前按照第三次試驗方案，分兩次共生產(chǎn)了該零件200余件，無異常情況發(fā)生。

5.結(jié)語

（1）主動軸卡環(huán)槽底部無淬硬層是導(dǎo)致該零件失效的主要原因。

（2）對于感應(yīng)淬火區(qū)域中有卡環(huán)槽、臺階等結(jié)構(gòu)的零件，淬火區(qū)域必須連續(xù)，使其表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，能夠抵消因結(jié)構(gòu)缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高零件的疲勞極限。

圖6 第二次試驗結(jié)果

圖7 第三次試驗結(jié)果