輸入軸裂紋原因分析

申磊++徐艷林

【摘 要】變速器輸入軸在車削過程中，軸表面時常會存在一條橫向旋轉裂紋。論文采用化學成分分析、金相檢驗和斷口分析、問題再現等方法對裂紋產生的原因進行探討、驗證，證明了圓鋼表層缺陷是引起輸入軸產生旋轉裂紋的主要原因。

【Abstract】A transverse rotation crack is found on the axle surface during the turning process of the transmission input shaft. The paper uses chemical composition analysis， metallographic examination and fracture analysis and problem reconstruction methods to analyze and verify the causes of the crack. Finally， it is determined that the surface defect of the round steel is the main cause of the rotation crack in the input shaft.

【關鍵詞】裂紋；楔橫軋；脫碳；表層缺陷

【Keywords】crack； cross wedge rolling； decarburization； surface defects

【中圖分類號】TG115.2 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）10-0178-02

1 引言

某公司配套的變速器輸入軸毛坯粗、精車過程中，發現軸表面存在軸向裂紋。輸入軸長360mm，為變徑軸，最大直徑φ60mm，最小直徑φ28mm，毛坯加工余量2.0-3.0mm。裂紋形貌如圖1所示，為軸向、圍繞軸線呈旋轉型裂紋，斷續的貫穿于整根軸，深度約1.0mm。該變速箱輸入軸毛坯使用20CrMnTiH圓鋼，選用楔橫軋工藝軋制成型[1]。毛坯軸生產工藝為：鋸切下料—中頻加熱（1140-1200℃）—楔橫軋—等溫正火（930℃）—校直—拋丸。

2 案例分析及介紹

2.1 檢測內容

試樣取自滲碳淬火后開裂的裂紋部位，用金相顯微鏡分析金相組織，用顯微硬度計測試硬度，用金相顯微鏡評級鑒別夾雜物和金相組織。

為查找、驗證裂紋形成的原因，對該軸裂紋處進行理化實驗、分析。

2.2 理化檢驗

2.2.1 化學成分分析

在軸裂紋處取樣進行化學成分分析，檢測結果見表1，可見化學成分符合GB/T5216-2014規定的20CrMnTiH保證性淬透性鋼的化學成分要求。

2.2.2 金相檢驗

對失效變速器輸入軸裂紋位置縱向切割，截面經拋光、硝酸酒精溶液腐蝕后顯示其組織形貌，裂紋與表面呈約50°角，深度為1.0mm，裂紋表面覆蓋氧化皮，且裂紋內側基體上有明顯脫碳現象（如圖1）。金相組織按照GB/T13320-2007第二評級圖評定為2級；低倍組織按照GB/T1979-2001中的第一評級圖進行評定，評定結果為低倍組織為一般疏松0.5級，未見其他低倍組織缺陷，滿足技術要求；進一步觀察試樣顯微組織，發現軸的裂紋區域存在氧化物外，其余部位組織夾雜物級別均符合技術要求；對試樣硬度進行檢測，要求150～190BH，實測在硬度為160HB。符合相應技術要求。

該裂紋擴展途徑較為規則，高倍下可見裂紋表面附有兩層明顯氧化皮，同時裂紋內側有明顯的脫碳，這是鍛造裂紋的重要特征[2]。

2.3 分析及驗證

2.3.1 裂紋分析

試樣金相圖片顯示，裂紋擴展途徑規則、裂紋形貌粗壯，無明顯裂紋分支及明細尖端，比較圓鈍。裂紋表面附著氧化皮，且裂紋內側基體上有明顯脫碳，該裂紋符合熱鍛裂紋特征[3]。

2.3.2 工藝分析

熱鍛裂紋產生的原因基本可分為：過熱、過燒、原材料宏觀缺陷遺傳等。過熱：加熱溫度過高或在高溫下保溫時間過長，甚至出現δ-鐵素體相，引起奧氏體晶粒粗化稱為過熱。粗大的奧氏體晶粒會導致鋼的韌性降低，鍛造成型或軋制過程中易出現沿晶開裂；過燒：加熱溫度過高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現氧化或熔化，導致晶界弱化，稱為過燒，鋼過燒后性能嚴重惡化，淬火時形成龜裂。過燒組織無法恢復，只能報廢；根據軋制工藝規范，棒料加熱溫度范圍在1140～1200℃，中頻加熱與軋制工序選用自動生產線來完成，中頻爐出口處有紅外測溫儀對出爐棒料溫實時監測，并通過三分選功能對棒料狀態進行選擇[4]。中頻加熱及軋制過程溫度可控，不會出現因溫度異常波動產生的材料蹦碎、細小裂紋等異常問題，且該類現象與事實不符。故結合裂紋的形貌特征推斷為原材料存在劃痕等宏觀缺陷，經鍛打、軋制后，缺陷放大、變形[5]。

2.3.3 工藝驗證

為驗證分析結論，特模擬原材料的失效狀態，用線切割在同規格的坯料外圓，延軸向方向切割貫穿整段軸的寬1mm、深1mm的“裂紋”，經中頻爐加熱至1140～1200℃后進行軋制，在同等軋制工藝環境下進行軋制后磁粉探傷，問題再現如圖3。

3 結論與建議

毛坯軋制、熱鍛過程中，因原材料原始組織缺陷、鍛造過程中溫度控制不當等均易產生鍛造裂紋或裂紋源，在滲碳淬火過程中，將裂紋源放大出現淬裂，或在整車使用過程中，因齒輪沖擊造成斷齒、斷軸。

經對該裂紋時間進行分析，裂紋產生原因為：原材料存在表面劃傷，經旋轉軋制塑性變形過程中，將表層缺陷擴展于整根軸，形成旋轉型裂紋。

建議：

①鋼廠在棒料軋制過程中，需提高材料表層質量控制能力，鍛造廠在原材料入廠時，加強外觀質量檢測頻次，原材料粗車外圓，切除表層缺陷；②毛坯在軋制、鍛造過程中嚴格控制鍛造溫度，并實施在線監控，確保零件溫度在工藝要求范圍內；③產品滲碳淬火完成后進行磁粉探傷或超聲波檢測，確保下線、裝箱件無裂紋缺陷。

【參考文獻】

【1】蔡朝華，裴建華，韓政，等.20CrMnTiH齒輪軸脆斷級裂紋原因分析[J].山東冶金，2012，34（6）：45-47.

【2】楊振恒.鍛造工藝學[M].西安：西北工業大學出版社，1986.

【3】任頌贊，葉儉，陳德華.金相分析原理及技術[M].上海：上海科學技術文獻出版社，2013.

【4】孫盛玉.熱處理裂紋分析圖譜[M].大連：大連出版社，2003.

【5】金榮植.齒輪的熱畸變、裂紋與控制方法處理[M].北京：機械工業出版社，2014.endprint