履帶用銷軸斷裂原因分析

谷圣龍 夏志偉

摘 要：某履帶用銷軸在整車組裝完成后即發生大面積斷裂現象。采用化學成分檢測、金相檢驗、硬度測試及斷口的宏、微觀形貌觀察等方法對銷軸斷裂原因進行了分析。結果表明，銷軸制造過程中熱處理工藝選用不當，造成心部硬度偏低，表面淬硬層硬度偏高，從而降低了銷軸的綜合性能，最終導致銷軸工作過程中受剪切應力而斷裂。

關鍵詞：銷軸;熱處理工藝;斷裂

中圖分類號：TU621 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0078-02

履帶銷軸是工程機械履帶的聯接部件，它通過銷套將前后兩個軌鏈節聯接起來，起到抗拉、抗剪切、耐磨的作用。劉建濤等人[1]發現，非金屬夾雜物破壞銷軸整體性及連續性，降低鋼的強度和韌性;原材料未經良好的軋制和均勻化退火，保留有樹枝狀結晶和偏析，降低了銷軸的綜合性能，均容易導致銷軸在使用過程中斷裂。楊當友等人[2]發現，銷軸的熱處理工藝不合理，導致表層出現嚴重脫碳現象及屈氏體和心部鐵素體組織缺陷，后續回火不充分，造成銷軸早期疲勞斷裂。因此熱處理工藝的選擇對銷軸最終的綜合性能至關重要。

使用方提供以下情況：銷軸設計材料為45Mn，表面中頻淬火硬度為52-58HRC，心部硬度18-20HRC，淬火深度為2-4mm，直徑要求24.06-24.09mm;而制造單位因為45Mn材料缺貨，采用45Mn2代替生產，整車組裝完成后即發生大面積斷裂現象。使用方對銷軸制作工序及熱處理工藝不清楚。

1 試驗材料與方法

斷裂失效的銷軸宏觀形貌如圖1所示。銷軸斷裂發生于裝配的一端。斷口較為齊平。采用OLYMPUS BX51M光學顯微鏡和HVS-10洛氏硬度計分別對銷軸橫截面進行金相組織和洛氏硬度檢驗。采用單反相機和HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡對銷軸斷口進行宏觀、微觀分析。采用FOUNDRY-MASTER UV全譜直讀光譜儀對銷軸化學成分進行分析。采用數顯游標卡尺對銷軸直徑進行檢測。

2 試驗結果

2.1 化學成分分析

對銷軸心部的化學成分進行檢測，結果見表1所示。由表1可知，銷軸化學成分符合45Mn2要求。

2.2 斷口分析

如2所示，由銷軸斷口宏觀形貌可知，斷口明顯分為兩種形貌，表現為外部圓環形貌和中部的圓形形貌。斷裂起源于銷軸邊緣，位于圖2中A位置，斷口未見明顯塑性變形。對斷口在HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡上觀察發現，外部圓環形貌為沿晶斷口，如圖3所示;對中部的圓形形貌為解理斷口，如圖4所示。

2.3 顯微組織檢驗

對銷軸的橫截面進行顯微組織檢驗。通過觀察磨拋后的樣品發現，表面淬硬層組織為馬氏體組織，表面未發現外力導致的異常組織，如圖5所示，心部組織為珠光體+鐵素體，如圖6所示。

2.4 硬度、淬硬層深度檢測

分別對銷軸淬硬層和心部進行硬度測量，并對銷軸淬硬層深度進行測量，結果如表2所示。由表2可知，銷軸淬硬層硬度高于圖紙要求，心部硬度低于圖紙要求，淬硬層深度符合圖紙要求。

2.5 直徑測量

對銷軸直徑進行測量，測量結果如表3所示。由表3可知，銷軸直徑符合圖紙的要求。

3 分析與討論

由理化檢驗結果可知，斷裂銷軸的化學成分符合變更后45Mn2的要求;斷裂銷軸心部顯微組織為鐵素體+珠光體，未見調質組織，淬硬層的顯微組織未見異常;淬硬層硬度高于圖紙設計要求，心部硬度低于圖紙設計要求，淬硬層深度符合圖紙要求;銷軸直徑符合圖紙要求。

由斷口分析可知，銷軸斷裂起源于銷軸表面，銷軸斷口未見明顯塑性變形，宏觀呈現脆性斷裂特征。銷軸淬硬層區域斷口呈沿晶斷口，心部區域呈解理斷口形貌。材料心部顯微組織鐵素體+珠光體，未見高溫回火索氏體組織，且心部硬度未達到圖紙要求，顯著降低了銷軸整體的承載能力;加工單位在變更材料的同時未及時調整表面中頻淬火工藝，造成表面硬度偏高，降低了材料的韌性。銷軸在工作過程中，承受的剪切應力超過銷軸的承載能力，從而發生脆性斷裂。

4 結論及建議

（1）銷軸斷裂是由于選用熱處理工藝不當，未進行整體調質處理后再進行表面中頻感應淬火，降低了銷軸的承載能力;且材料變更后表面感應淬火工藝調整不當，降低了銷軸的韌性，使用過程中發生脆性斷裂。（2）建議選用正確的熱處理工藝進行制作，涉及到材料變更時及時調整熱處理工藝，保證材料的心部及表面的綜合力學性能，方可避免此類現象的發生。

參考文獻

[1] 劉建濤，李運剛，邊勇俊，等.挖掘機履帶主銷軸斷裂原因分析[J].科協論壇（下半月），2013（9）：15.

[2] 楊當友，李張銀，吳桂根，等.銷軸斷裂原因分析[J].理化檢驗（物理分冊），2008（12）：721-723.