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GCr15鋼行星輪軸的開裂失效分析

2018-01-18

牟懷飛，楊瑞，馮凱強(qiáng)
（中國一拖股份有限公司熱處理廠）

　　GCr15鋼制行星輪軸在使用過程中以及精磨過程中出現(xiàn)周向或環(huán)狀裂紋，個別零件裂紋貫穿表面。該批零件生產(chǎn)工藝流程為：棒材下料→球化退火→鍛造成型→機(jī)械加工→熱處理淬火、回火→機(jī)加精磨外圓→成品→清洗→防銹。熱處理要求為：硬度60～66HRC，熱處理淬火加熱所用設(shè)備為井式淬火爐，型號為RJJ-75-9D，所用工裝為自制工裝，每爐裝載量90件，加熱溫度850℃，保溫時間120min，煤油滴量為20～40滴/min（防止脫碳），淬火介質(zhì)為30#機(jī)油。油淬后以75℃熱水清洗并回火，回火所用設(shè)備為井式回火爐，型號為RJJ36-6，回火溫度為180℃，回火保溫時間120min。在裝配過程及精磨外圓過程中，部分行星輪軸出現(xiàn)裂紋，本文就此進(jìn)行失效原因分析。

　　1.討論與分析
　?。?）宏觀斷口形貌
　　圖1為行星輪軸示意，圖2為失效零件。通過觀察發(fā)現(xiàn)，失效斷口平行于工件周向，斷面平齊，屬于脆性斷裂。根據(jù)撕裂棱特征判斷裂紋走向，發(fā)現(xiàn)斷口存在多個裂紋源，位置在工件表面沿周向分布。

　　（2）探傷檢驗
　　對失效的行星輪軸以及成品庫房待用零件進(jìn)行磁粉探傷檢驗，發(fā)現(xiàn)工件表面存在不同程度的裂紋，如圖3所示。圖3a裂紋成龜甲狀，圖3b裂紋方向沿周向平行擴(kuò)展，且垂直于磨削方向。

　　（3）硬度分析
　　對失效零件進(jìn)行硬度分析，如圖4所示，沿箭頭方向分別為1、2、3、4、5、6測試點，對零件不同位置進(jìn)行硬度分析的結(jié)果如表1。

　　表1結(jié)果說明，經(jīng)過冷加工磨削后零件表面硬度值均勻且偏上限，符合零件硬度要求。零件橫切面硬度Z低點為48HRC，說明零件已淬透。

　　（4）化學(xué)成分分析
　　對行星輪軸的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗，結(jié)果見表2，其化學(xué)成分符合GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》的要求。

　　（5）夾雜檢測
　　在裂紋集中處切取一段制成金相試樣，按GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》進(jìn)行非金屬夾雜檢測，結(jié)果見表3，由表3可知，行星輪軸材料所含非金屬夾雜物均符合GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　?。?）金相組織觀察
　　表層裂紋及形貌：在對失效零件進(jìn)行金相分析時，發(fā)現(xiàn)了許多由表面向內(nèi)延伸的表面裂紋，裂紋長度在0.15～0.20mm之間，裂紋垂直于表面向內(nèi)延伸，見圖5。裂紋末端尖銳，沿晶界擴(kuò)展，且裂紋兩側(cè)無氧化、無脫碳。圖5裂紋形貌曲折、間斷，而且裂紋體的有些部位出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，說明淬火時存在較大的內(nèi)應(yīng)力（包括組織應(yīng)力和熱應(yīng)力）。

　　觀察表層裂紋附近的金相組織，如圖6所示，圖中組織為細(xì)針狀馬氏體以及隱針馬氏體，未溶解的碳化物顆粒以及少量的殘留奧氏體。正常馬氏體應(yīng)該是隱針狀馬氏體和少量細(xì)針狀馬氏體，均勻分布的細(xì)小碳化物顆粒以及少量的殘留奧氏體組織。圖6均顯示馬氏體針較明顯且粗大，說明在熱處理過程中有過熱的傾向。

　　對試樣使用50%的鹽酸溶液進(jìn)行熱酸蝕，使表面裂紋顯示的更明顯，酸洗后的表面情況如圖7所示。由圖可知，行星輪軸表面有多條裂紋，呈現(xiàn)出與磨削方向垂直的平形狀分布。

　　2.結(jié)果分析
　?。?）裂紋產(chǎn)生的原因
　　斷口的形貌分析及金相觀察說明，零件表面的裂紋多起源工件表面，且裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象，說明這些表面裂紋產(chǎn)生于淬火冷卻時或冷卻后。本批行星輪軸均為GCr15高碳合金鋼制造的薄壁零件，淬火時已淬透，因馬氏體與奧氏體比容的差異以及奧氏體、馬氏體與碳化物熱膨脹系數(shù)的巨大差異，加之零件存在的過熱傾向，淬火時勢必產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，由于心部的馬氏體相變落后于表面，且馬氏體比容大于奧氏體，因此增大了零件表面的拉應(yīng)力，促使表層的張開型淬火裂紋向里擴(kuò)展。

　?。?）磨削裂紋的確定
　　磨削裂紋是零件在淬火后精磨時，由于磨削表層的局部內(nèi)應(yīng)力(由淬火應(yīng)力和磨削力共同決定)超過了材料的斷裂極限而產(chǎn)生的局部裂紋。磨削裂紋一般呈細(xì)密的且與磨削方向垂直的直線狀分布，或以龜甲形狀出現(xiàn)。雖然形態(tài)會有所不同，但磨削裂紋一般均存在于磨削表面較淺的范圍內(nèi)。本試驗所觀察到的表面裂紋大多起源于零件的磨削面，且裂紋較淺，在無損探傷檢驗以及熱腐蝕后，表面裂紋形貌均符合磨削裂紋形貌情況。

　　在零件磨削過程中，磨削應(yīng)力改變了零件內(nèi)部高應(yīng)力的分布狀態(tài)，使心部靠外區(qū)域中原來的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，從而促進(jìn)該處裂紋的萌生和擴(kuò)展，所以裂紋雖屬于磨削裂紋，但不是開裂的根本原因，磨削只是促進(jìn)了淬火裂紋的擴(kuò)展，Z終導(dǎo)致了零件的磨削開裂。

　　3.結(jié)語
　?。?）該批GCr15鋼制行星輪軸的開裂失效雖然發(fā)現(xiàn)于磨削工序，但磨削并不是零件開裂的根本原因，尖銳的機(jī)加工刀痕只是加劇了淬火應(yīng)力的集中，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

　?。?）零件加熱時的過熱敏感性，增大了淬火裂紋的萌生幾率，致使行星輪軸在較大的淬火應(yīng)力下產(chǎn)生了表面裂紋。同時，淬火后未及時回火以及回火不充分，使零件長時間處于高應(yīng)力狀態(tài)，促進(jìn)了淬火裂紋的擴(kuò)展。

　　4.改進(jìn)措施
　　根據(jù)上述分析，采取了以下幾點改進(jìn)措施，基本消除了GCr15鋼行星輪軸的開裂現(xiàn)象：

　?。?）加強(qiáng)原材料的檢驗，確保其成分、組織及各種缺陷在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)?？刂魄蚧嘶鸺板懺旃ば颍ＷC淬火前的組織正常。

　?。?）提高淬火前零件的表面光潔度，消除尖銳的機(jī)加工刀痕；淬火加熱時，控制裝爐量，避免溫度過高或時間過長，以免發(fā)生較嚴(yán)重的氧化、脫碳；零件遇不合格返修時，必須經(jīng)過退火消應(yīng)力。

　?。?）改變回火工藝，將原回火時間120min延長至180min。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志