某輕型卡車前軸疲勞斷裂原因分析及改善措施

文／張麗利,孫建,施細妹?南昌齒輪鍛造廠

某輕型卡車前軸疲勞斷裂原因分析及改善措施

文／張麗利,孫建,施細妹?南昌齒輪鍛造廠

張麗利，主要從事金屬材料分析、實驗室管理及計量校準。

卡車前軸一旦失效，將發生重大人身和設備事故，被列為最重要的保安件。所以必須確保卡車前軸質量。包括外觀表面、組織及力學性能。卡車前軸選用的原材料一般為優質碳素結構鋼或合金結構鋼。在較大型的設備上模鍛成形，鍛后熱處理就是最終熱處理，切削加工后，需抽樣按汽車行業標準《QC/T 513-1999 汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》做臺架試驗。

問題描述

某輕型卡車前軸長1270.5mm，寬115mm，高212.5mm，重32kg，材料為45鋼，調質處理，表面硬度235～277HB，金相組織：回火索氏體+條狀及塊狀鐵素體。

客戶完成加工后，抽樣5件在臺架上進行縱向彎曲疲勞壽命試驗（循環次數），其中有1件在48.21萬次時就發生斷裂現象（要求＞50萬次），如圖1所示。鋼板托下工字斷面經檢測和分析，斷裂處外觀良好，無鍛造折疊、磕碰損傷等缺陷。

問題排查過程

⑴化學分析。

在失效件上截取一塊試樣，進行化學分析檢驗，檢驗設備為Bruker Q8 MAGELLAN直讀光譜儀，從表1檢驗結果可以看出化學分析檢驗結果符合材料標準要求。

圖1 某輕型卡車前軸鍛件簡圖及斷裂口

表1 前軸化學分析檢驗結果（質量分數/%）

⑵硬度分析。

用布氏硬度計對失效件進行硬度檢驗，檢驗結果為：239～242HB，技術要求為235～277HB，符合技術要求。

⑶金相分析。

用光學顯微鏡對失效件進行金相檢驗，結果為：表面組織為回火索氏體+網狀鐵素體，表面0.2mm脫碳（前軸斷裂位置）。技術要求：回火索氏體+條狀及塊狀鐵素體，不符合技術要求。

⑷用魚骨圖討論分析。

魚骨圖是一種發現問題“根本原因”的方法，結合本工件特點，從“人、機、料、法、測”五個方面列出可能原因，見圖2。

⑸列出原因排查清單，見表2。

綜合以上分析結果，決定進行故障再現。

故障再現

項目組對循環水泵壞和淬火水槽鹽水溫度高2個“疑是”點進行故障再現，確定2個方案：

⑴先正常調質生產3掛后，檢測每掛淬火入水前和入水后的鹽水溫度。

⑵關閉循環水泵，繼續調質生產19掛 ，檢測每掛鹽水淺層及近槽底溫度。

圖3為前軸鍛件在吊掛狀態下進行調質處理，入水前和入水后對比圖，22個掛件淬火鹽水溫度檢測結果見表3。

表2 原因排查清單

圖2 魚骨圖

圖3 前軸鍛件在吊掛狀態下進行調質處理

⑶金相分析如圖4所示。

原因分析與改善措施

通過以上故障再現的試驗，分析結果如下：

關閉循環水泵后淬火至5小時20分鐘第16掛時鹽水溫度上升至57℃（超過工藝要求50℃），且鹽水底面溫度始終低于淺層溫度。故上面試塊的金相為回火索氏體+網狀鐵素體，下面的試塊金相為回火索氏體?？梢源_定以下3個問題。

表3 淬火鹽水溫度檢測結果

圖4 金相取樣件及金相結果

⑴生產過程中循環水泵壞，鹽水溫度升高，造成金相不合格。

⑵造成同根兩頭金相差異的原因主要為鹽水淬火時為吊掛方式從上至下入水，熱氣從下向上，致上部組織較差于下部組織。

⑶45鋼材料淬透性差，很容易產生網狀鐵素體。

原因分析

⑴因循環水泵在地下，當循環水泵停止工作時，操作工未及時發現；在當班00：00時操作工接班、對鹽水溫度檢測時才發現溫度為56.1℃，超過工藝要求，排查原因發現循環水泵壞。

⑵工人只在換班時對鹽水溫度進行檢測，故上個班的換班點檢未發現循環水泵異常。

⑶當班未生產，但是操作工未將上個班生產的產品進行隔離檢測。

改善措施

⑴更新前軸調質線點檢表，增加循環水泵的點檢。

⑵生產過程中發現設備故障時前期生產的產品必須進行隔離，對末件進行檢測，合格后才能放行，如不合格必須全數返工。

⑶鹽水槽配備0～200℃熱電偶及儀表，用硬件設備監控鹽水槽溫度。

⑷更新QPS卡增加對循環水泵的點檢，每班用溫度計對熱電偶進行校準。

（5）更新FEMA，設備故障時，應急反應中增加“生產過程中發現設備故障時前期生產的產品必須進行隔離，對末件進行檢測，合格后才能放行，如不合格必須全數返工”。

驗證結果

按上述改進措施生產一批前軸，抽檢3件，金相組織均為回火索氏體+條塊狀鐵素體，符合技術要求；送5件做臺架疲勞壽命試驗，縱向彎曲疲勞壽命（循環次數）均達到50萬次以上，符合標準。

結論

通過對某輕型卡車前軸疲勞斷裂的失效分析，對斷裂件金相、硬度、光譜成分進行分析，及故障再現方式查找根本原因，結果顯示，由于鹽水槽溫度偏高，鍛件表面淬透層差，造成前軸存在較多網狀鐵素體，金相不合格，性能下降，不能達到國標要求，提前發生疲勞斷裂。