45#鋼農機轉向軸斷裂原因分析*

趙立新，史 偉，李金梅，蒙 騫，陳維剛

(1.蘭州長信機電制造有限責任公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

轉向軸的功用是將駕駛員作用于轉向盤的轉向力矩傳遞給轉向器，它的上部與轉向盤固定連接，下部與轉向器相連，以此來控制車輪前進的方向，因此轉向軸性能的好壞對車輛的安全使用而言至關重要[1]。某公司采購的農機轉向軸安裝擰緊過程中，轉向軸螺紋根部發生了脆性斷裂如圖1、2所示，造成了轉向軸的失效報廢。該轉向軸軸材質為45#鋼，供貨標注的熱處理狀態為調質。筆者針對以上問題，對其取樣進行了化學分析、金相檢驗、熱處理試驗、夏比沖擊等相關內容的檢驗與分析，最終找出失效原因并得出能夠指導此類軸熱處理過程的結論。

1 理化檢測

1.1 化學分析

在轉向軸開裂斷口附近取樣，采用QSN750 型直讀光譜儀，依據標準JIS G1253-2002 AMD.1-2013，項目基金來源：市級科技計劃項目(2019-4-48)。

《鋼鐵-火花放電原子發射光譜分析法》對試樣進行化學成分分析(如表1所列)，結果符合GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》中對45#鋼的要求。

圖1 斷裂的轉向軸 圖2 轉向軸斷裂斷口形貌

表1 化學成分分析結果 /%

1.2 金相檢驗

1.2.1 宏觀檢驗

轉向軸整體斷口平整，未有塑性表明的痕跡，整體呈現脆性斷裂的特征(如圖2所示)。在轉向軸斷口以下10 mm處取樣進行宏觀檢驗，試樣經酸蝕后宏觀檢測，其中中心疏松級別為1.0級，未發現縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點等缺陷等缺陷(如圖3所示)。

1.2.2 顯微分析

在斷口附近取樣，采用GX51型光學顯微鏡進行顯微組織分析，發現顯微組織為索氏體+鐵素體，晶粒度未發現長大，未發現明顯的過熱、過燒、魏氏組織等異常現象(如圖4所示)。試驗室對轉向軸取樣按照GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》要求進行調質處理，其中淬火溫度為860 ℃，回火溫度為600 ℃，顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體(如圖5所示)。

圖4 轉向軸顯微組織 圖5 經調質處理后試樣的顯微組織

1.2.3 沖擊韌性試驗

在轉向軸上取樣兩組沖擊試樣，一組直接進行沖擊韌性試驗，另一組按照GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》要求進行調質處理。

沖擊試驗采用ZBC2602N-3型沖擊試驗機，按照GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行試驗(見表2)，沖擊試驗結果表明轉向軸上直接取樣后的試樣沖擊韌性較差，遠低于標準要求值，經過試驗室調質處理后的試樣，沖擊韌性較好，符合標準GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》的要求。

表2 沖擊韌性試驗結果

2 分析與討論

通過化學分析發現，轉向軸材質的化學成分符合GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》中對45#鋼的標準要求，表明轉向軸斷裂不是由于材料的化學成分不符合標準要求而引起的。

宏觀斷口上來看，在其斷裂過程中未發現明顯的塑性變形，整個斷口表現為明顯的脆性斷裂特征，宏觀檢驗時發現其中心疏松級級別為1.0級，中心疏松亦未達到足以引起開裂的級別。未發現縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點等缺陷等缺陷。

顯微組織檢驗時發現轉向軸的顯微組織為索氏體+鐵素體，未發現明顯的過熱、過燒、魏氏組織等異常現象，但是其顯微組織與工藝要求的調質熱處理的結果不吻合，試驗室取樣進行調質處理后，所得的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，與調質熱處理的要求吻合。

沖擊韌性試驗結果表明，轉向軸的沖擊功平均值僅為15.2J，遠低于標準要求值39J，尤其是試驗溫度選擇在室溫，試驗溫度與安裝時斷裂溫度相近，即表明轉向軸在室溫下受力極容易發生脆性開裂。試驗室取樣進行調質熱處理后的試樣沖擊功平均值為72J，符合標準GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》的要求，沖擊韌性明顯變好。

綜上所述，造成轉向軸斷裂的原因是由于其調質熱處理過程中造成的，可能是其淬火時冷卻速度過慢或者是采用了正火處理[2]，最終形成索氏體+鐵素體的平衡組織，與該材料調質熱處理應該得到回火索氏體的顯微組織明顯不吻合，造成了其沖擊韌性達不到標準的要求[3-4]，在其安裝過程中，由于螺紋根部容易引起應力集中，導致轉向軸受擰緊力在螺紋根部發生脆性斷裂，從而導致轉向軸斷裂失效[5-6]。

3 結 語

針對該農機轉向軸斷裂失效問題，進行了化學分析、金相檢驗、熱處理試驗、夏比沖擊等相關內容的檢驗與分析。最終發現：轉向軸在其調質熱處理環節中的淬火時冷卻速度過慢或是采用了正火處理，沒有得到回火索氏體，造成其沖擊韌性達不到標準要求。在其安裝過程中受力在螺紋根部發生脆性開裂，從而導致轉向軸斷裂失效，本文結論對該類轉向軸的熱處理工藝具有一定指導作用。