齒輪軸表面裂紋缺陷分析

■ 范王展

2014年12月，某廠在精車齒輪軸的光軸部位時表面出現(xiàn)軸向裂紋缺陷，裂紋沿軸向分布，數(shù)量不一，細(xì)而直，長度1～6mm不等。出現(xiàn)裂紋后，在加工面上繼續(xù)車1mm后，又出現(xiàn)新的裂紋，裂紋具體形貌見圖1。

1. 分析

（1）化學(xué)成分分析 在軸上取樣，進(jìn)行鋼材化學(xué)成分分析，結(jié)果見附表。由附表可見，各元素的含量正常，均符合技術(shù)要求。

（2）金相分析 在垂直裂紋方向進(jìn)行剖切，裂紋截面金相見圖2。裂紋垂直深度約0.03mm，寬度約0.05mm；裂紋未向內(nèi)延伸；腐蝕后觀察，裂紋周圍組織為正常正火組織。

在軸上取金相試樣觀察，在縱截面上發(fā)現(xiàn)數(shù)條長度0.5～1.3mm的夾雜物條帶，寬度在0.01～0.02mm之間（見圖3a）；在橫截面上觀察到大量點狀、短片狀缺陷（見圖3b）。

（3）掃描電鏡 在掃描電鏡下對缺陷部位進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示缺陷區(qū)域化學(xué)成分主要為O、Al、Ca、Na以及少量的S和K。

齒輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2. 結(jié)果討論

從缺陷宏觀形貌分析，由于裂紋無金屬光澤，且將缺陷部位繼續(xù)車1mm后又出現(xiàn)新的裂紋，因此裂紋缺陷不僅在零件表面、且在零件內(nèi)部已經(jīng)形成，進(jìn)而斷定缺陷不屬于機(jī)加工裂紋，該推斷經(jīng)過磁粉檢測得以驗證（見圖4）。

對肉眼可見的缺陷用記號筆標(biāo)出，在磁粉檢測前，零件上共可見7處缺陷，經(jīng)過磁粉檢測，可以看出零件表面聚集了大量缺陷。

從金相檢測結(jié)果來看，由于缺陷周圍為正常的正火組織，未出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，說明在鍛造時裂紋并未從毛坯件內(nèi)部裂至表面，缺陷是密閉的閉合狀態(tài)。

從掃描電鏡結(jié)果來看，產(chǎn)生裂紋的根本原因是鋼材出現(xiàn)材質(zhì)缺陷，主要為氧化夾雜物。尤其是夾雜物中含有保護(hù)渣的成分Na、K元素，說明是保護(hù)渣卷渣造成的夾雜。

根據(jù)文獻(xiàn)描述，該缺陷的準(zhǔn)確定義應(yīng)為發(fā)紋缺陷，該缺陷以埋藏在鋼材表層10mm以內(nèi)位置居多。

3. 結(jié)論與改進(jìn)措施

零件表面裂紋實際是鋼材發(fā)紋缺陷，其根本原因是由于鋼液保護(hù)渣卷入造成的非金屬氧化物夾雜引起的。

為進(jìn)一步加強(qiáng)對入廠鋼材非金屬夾雜物的控制，采取了以下措施：一是進(jìn)行頭尾爐管理。對每個澆次的頭爐和尾爐，要求在頭坯和尾坯上取樣，進(jìn)行夾雜物檢驗分析；二是對鋼材進(jìn)行塔形檢驗。通過以上措施，取得了良好效果，在生產(chǎn)中再未出現(xiàn)批量性發(fā)紋缺陷。

圖1 裂紋缺陷宏觀形貌

圖2 裂紋部位截面金相分析

圖3 軸上試樣顯微觀察

圖4 零件磁粉檢測前后對比