GCr15鋼行星輪軸的開裂失效分析

■ 牟懷飛，楊瑞，馮凱強

GCr15鋼制行星輪軸在使用過程中以及精磨過程中出現周向或環狀裂紋，個別零件裂紋貫穿表面。該批零件生產工藝流程為：棒材下料→球化退火→鍛造成形→機械加工→淬火、回火→機加精磨外圓→成品→清洗→防銹。熱處理要求硬度60～66HRC。淬火加熱所用設備為井式淬火爐，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），淬火冷卻介質為L-AN46全損耗系統用油。油淬后以75℃熱水清洗并回火，回火所用設備為井式回火爐，型號為RJJ36-6，回火溫度為180℃，回火保溫時間120min。在裝配及精磨外圓過程中，部分行星輪軸出現裂紋，本文就此進行失效原因分析。

1. 討論與分析

（1）宏觀斷口形貌 圖1為行星輪軸示意，圖2為失效零件。觀察發現，失效斷口平行于工件周向，斷面平齊，屬于脆性斷裂。根據撕裂棱特征判斷裂紋走向，發現斷口存在多個裂紋源，位于工件表面沿周向分布。

（2）無損檢測 對失效的行星輪軸以及成品庫房待用零件進行磁粉檢測，發現工件表面存在不同程度的裂紋，如圖3所示。圖3a裂紋呈龜甲狀，圖3b裂紋方向沿周向平行擴展，且垂直于磨削方向。

圖1 行星輪軸示意

圖2 失效的行星輪軸宏觀斷口

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

表1結果說明，經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。零件橫切面硬度最低點為48HRC，說明零件已淬透。

（4）化學成分分析 對行星輪軸的化學成分進行檢驗，結果見表2，其化學成分符合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》進行非金屬夾雜檢測。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》標準的要求。

（6）金相組織觀察 表層裂紋及形貌：在對失效零件進行金相分析時，發現了許多由表面向內延伸的表面裂紋，裂紋長度在0.15～0.20mm之間，裂紋垂直于表面向內延伸（見圖5）。裂紋末端尖銳，沿晶界擴展，且裂紋兩側無氧化、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了分叉現象，說明淬火時存在較大的內應力（包括組織應力和熱應力）。

觀察表層裂紋附近的金相組織，圖6中組織為細針狀馬氏體、隱針馬氏體、未溶解的碳化物顆粒，以及少量的殘留奧氏體。正常馬氏體應該是隱針狀馬氏體和少量細針狀馬氏體，均勻分布的細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粗大，說明在熱處理過程中有過熱的傾向。

圖3 行星輪軸表面的裂紋

圖4 零件不同部位硬度分布

圖5 失效零件的表層裂紋

表1 零件不同位置的硬度值

表2 GCr15鋼化學成分（質量分數） （%）

表3 行星輪軸非金屬夾雜物檢測結果

對試樣使用50%的鹽酸溶液進行熱酸蝕，使表面裂紋顯示的更明顯。由酸洗后的表面情況（見圖7）可知，行星輪軸表面有多條裂紋，呈現出與磨削方向垂直的平行狀分布。

2. 結果分析

（1）裂紋產生的原因 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，且裂紋兩側無氧化脫碳現象，說明這些表面裂紋產生于淬火冷卻時或冷卻后。該批行星輪軸均為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體積的差異以及奧氏體、馬氏體與碳化物熱膨脹系數的巨大差異，加之零件存在的過熱傾向，淬火時勢必產生較大的淬火應力，由于心部的馬氏體相變落后于表面，且馬氏體比體積大于奧氏體，因此增大了零件表面的拉應力，促使表層的張開型淬火裂紋向里擴展。

（2）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應力（由淬火應力和磨削力共同決定）超過了材料的斷裂極限而產生的局部裂紋。磨削裂紋一般呈細密的且與磨削方向垂直的直線狀分布，或以龜甲形狀出現。雖然形態會有所不同，但磨削裂紋一般均存在于磨削表面較淺的范圍內。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，在無損檢測以及熱腐蝕后，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，由于磨削應力改變了零件內部高應力的分布狀態，使心部靠外區域中原來的壓應力變為拉應力，從而促進該處裂紋的萌生和擴展，所以裂紋雖屬于磨削裂紋，但不是開裂的根本原因，磨削只是促進了淬火裂紋的擴展，最終導致零件的磨削開裂。

3. 總結

（1）該批GCr15鋼制行星輪軸的開裂失效雖然發現于磨削工序，但磨削并不是零件開裂的根本原因，尖銳的機加工刀痕只是加劇了淬火應力的集中，促進了裂紋的擴展。

（2）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力下產生了表面裂紋。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力狀態，促進了淬火裂紋的擴展。

4. 改進措施

采取以下改進措施，消除GCr15鋼行星輪軸的開裂現象：

（1）加強原材料的檢驗，確保其成分、組織及各種缺陷在標準允許的范圍內。控制球化退火及鍛造工序，保證淬火前的組織正常。

（2）提高淬火前零件的表面粗糙度，消除尖銳的機加工刀痕；淬火加熱時，控制裝爐量，避免溫度過高或時間過長，以免發生較嚴重的氧化、脫碳；零件遇不合格返修時，必須經過退火消應力處理。

（3）改變回火工藝，將原回火時間120min延長至180min。

圖6 裂紋附近的金相組織

圖7 熱酸蝕后表面裂紋形貌