40CrNiMoA鋼傳動軸花鍵開裂失效分析

金玉亮， 劉春江， 吳彬龍， 張洪亮

(1. 哈爾濱東安發動機有限公司， 黑龍江 哈爾濱 150066； 2. 北京航空材料研究院， 北京 100095；3. 沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110136)

某型號航空發動機傳動軸的整體形貌如圖1所示，兩端部位為花鍵。傳動軸所用材料為調質態的40CrNiMoA高強度鋼，屬II類鍛件。該傳動軸的制造工藝流程：正火、回火—機加工—調質(淬火、回火)—機加工—滾齒—機加工—磨齒—高頻淬火—機加工—磁粉探傷—洗滌—鍍銅—富氧磷化。其中，高頻淬火參考溫度為880～900 ℃，加熱時間為5～15 s，油冷，淬火深度為2.0～4.5 mm，淬火后經150 ℃回火2.5～3.0 h，花鍵表面洛氏硬度要求不低于51.5 HRC。該傳動軸工作環境溫度不超過180 ℃，且有潤滑油潤滑。本次故障發生在傳動軸工作17 h后的正常故檢，經磁粉檢測在花鍵齒根處發現裂紋。委托方前期熒光探傷檢測結果如圖2所示，在花鍵齒根處存在1條長裂紋和2條短裂紋，裂紋沿軸向分布，長裂紋已經打開，短裂紋在前期工作中已損傷破壞。本文通過對傳動軸花鍵裂紋斷口進行宏微觀觀察、掃描電鏡觀察及能譜分析、顯微組織分析、硬度分析和溫色對比試驗，確定了傳動軸花鍵的開裂性質，分析了其開裂原因，并給出了合理建議。

圖1 傳動軸整體形貌

圖2 傳動軸花鍵熒光檢測結果

1 試驗分析

1.1 宏觀觀察

將傳動軸花鍵沿縱向裂紋人工打開，打開面的宏觀形貌如圖3所示，其中圖3(a)為低倍宏觀形貌，圖3(b) 為高倍宏觀形貌。從低倍形貌中可觀察到，原始裂紋區和人工打開區之間的顏色對比差別較為明顯，原始裂紋區主要呈深藍色，人工打開區主要呈銀灰色。從高倍形貌中觀察到，原始裂紋區的深度較為均一，經測量發現其平均深度約為0.6 mm，且原始裂紋區靠近表面部分和內部區域的顏色稍有差異，由表及里的顏色變化為由深藍色逐漸向金黃色過渡。

1.2 微觀觀察

為獲得原始裂紋區域的微觀形貌，將裂紋打開面進行超聲清洗并吹干后，采用掃描電鏡進行觀察。其中圖4為人工打開區的微觀形貌，從圖4可以看出，其斷面的微觀特征主要為韌窩，同時含有少量沿晶形貌。原始裂紋區的低倍形貌見圖5(a)，裂紋內部區域的高倍形貌見圖5(b)，靠近表面處的高倍形貌見圖5(c)。圖5(b，c)顯示斷口區域微觀形貌呈冰糖狀，符合沿晶斷裂的典型特征，因此可以推斷原始裂紋區呈沿晶斷裂。采用EDS能譜分析裂紋打開面不同區域的元素分布，結果顯示圖5(b，c)所示區域氧的含量在6%～10%(質量分數)之間，說明原始裂紋面存在較為明顯的氧化現象。

圖4 人工打開區微觀形貌

圖5 原始裂紋區微觀形貌及EDS分析

1.3 顯微組織分析

顯微組織分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，通過顯微組織的觀察和分析不僅可以推斷材料的組織結構，還可以檢測材料內部是否存在空洞、夾雜、裂紋等缺陷。

為了對比原始裂紋區與材料內部區域的組織，將帶裂紋的花鍵試樣沿橫向預磨并拋光后，采用光學顯微鏡觀察花鍵裂紋區的組織結構，結果如圖6(a)所示。可以觀察到原始裂紋區附近與材料內部區域的組織結構相似，裂紋附近未見明顯的脫碳現象，也未見其它明顯異常。該區域腐蝕后的形貌如圖6(b)所示，將原始裂紋區域腐蝕后的形貌放大后如圖6(c)所示，材料內部區域腐蝕后的形貌放大后如圖6(d)所示。經對比可以發現，原始裂紋區域和材料內部的組織無明顯差別，均為馬氏體組織。原始裂紋呈沿晶擴展，原始裂紋附近可見少量沿晶開裂。

圖6 裂紋區截面顯微組織

1.4 硬度檢測

洛氏硬度計具有操作簡便、試驗效率高、壓痕較小、測試范圍廣泛等優點，同時由于洛氏硬度試驗有初試驗力，因此試樣表面的輕微不平整對測試值影響較小。

本試驗采用洛氏硬度計測試傳動軸花鍵表面和心部的硬度值，分別測量3個區域的硬度后取平均值進行對比，結果如表1所示。傳動軸花鍵表面和心部區域的平均硬度值分別為57.6和57.0 HRC，無明顯差別，且均滿足相關技術要求。

表1 傳動軸花鍵洛氏硬度測試結果(HRC)

1.5 溫色對比試驗

金屬斷口表面顏色的差異，往往是由于其所經歷的溫度不同所致。例如鈦合金經歷500 ℃后表面呈現灰黃色，600 ℃后呈藍色，650 ℃后呈灰藍色，750 ℃后呈棕色，800～850 ℃后呈棕紅色[1]。溫色對比試驗是根據金屬構件表面的顏色與燒熔特征，推斷其所經歷的溫度與時間的試驗方法。工程上，構件斷裂失效的原因常采用溫色對比試驗來分析。

本研究在花鍵未開裂區域截取多個試樣，經600號砂紙打磨后，分別選定150、450、550、700和850 ℃不同溫度進行熱模擬試驗，熱模擬之后試樣表面的顏色如圖7 所示。通過對比觀察可以發現，經歷150 ℃×2 h、450 ℃×5 min、550 ℃×5 min、700 ℃×5 min和850 ℃×5 min熱模擬試驗后，試樣表面的顏色分別呈淺金黃色、淺淡藍色、淡藍色、藍色和深藍色。對比圖3(b)裂紋打開面宏觀形貌，發現原始裂紋區斷面顏色與試樣經850 ℃×5 min熱模擬試驗后相似，均為深藍色。

圖7 不同熱模擬試驗下花鍵材料溫色對比圖

2 分析與討論

由圖3可知原始裂紋區斷面顏色呈高溫氧化色，與圖5(b，c)中EDS數據顯示原始裂紋區域含較高氧元素(6%～10%，質量分數)的結果相一致，結合花鍵材料的工作溫度不高于180 ℃，可推斷傳動軸花鍵裂紋形成于高溫淬火油冷工藝之前。根據金屬材料的高溫力學性能可知，當環境溫度高于材料的等強溫度后，金屬材料的晶內強度高于晶界強度，將發生沿晶斷裂[2]。由圖4可知，人工打開區斷面主要呈韌窩形貌，屬于微孔聚集型斷裂。圖5顯示傳動軸花鍵原始裂紋區斷面微觀形貌呈冰糖狀，屬于沿晶斷裂。傳動軸花鍵材料的斷裂類型發生了明顯轉變，結合裂紋區組織和硬度與基體一致，未見明顯的脫碳現象(如圖6所示)，可推斷傳動軸花鍵原始裂紋是在高溫條件下(高于材料的等強溫度)產生的。

金屬的氧化是通過金屬原子和氧原子的擴散實現的，由金屬材料高溫氧化動力學規律可知其氧化速率符合菲克擴散第一定律，其擴散系數的計算公式[3]為：

D=D0·exp(-Q/RT)

(1)

式中：D0為擴散常數；Q為擴散激活能。

由公式(1)可知，溫度越高，原子擴散系數越大，氧化反應速度越快，生成的氧化膜越厚。根據圖7花鍵材料在150～850 ℃范圍內的溫色對比結果可知，經歷700 ℃×5 min后材料表面呈藍色，經歷850 ℃×5 min 后材料表面呈深藍色。說明氧化時間相同時，花鍵材料在850 ℃氧化后表面生成的氧化膜明顯比700 ℃厚。詹三林等[4]研究溫度對高碳鋼氧化膜厚度的影響時也得到了類似的規律，其試驗結果顯示，高碳鋼在700、800和850 ℃下氧化相同時間后表面生成的氧化膜厚度分別是6.7、8.6和17.6 μm，不僅氧化膜的厚度隨溫度的升高而增大，而且溫度越高，增大幅度越顯著。結合上述規律可知，花鍵材料在高溫淬火溫度(880～900 ℃)下的氧化速率應明顯高于850 ℃，可在較短時間(10～15 s)內生成較厚的氧化膜，呈深藍色。

綜上所述，傳動軸花鍵原始裂紋在高溫時產生，呈穿晶斷裂。裂紋產生后經歷了高溫氧化，表面呈深藍色。由此可推斷，該裂紋形成于淬火過程中的加熱升溫階段。高頻淬火時加熱電流過大、加熱不均勻均有可能造成上述淬火裂紋的出現。這是由于當加熱電流過大時或加熱不均勻時，零件表面溫度分布不均勻，產生熱應力。同時，加熱電流過大還可以導致升溫過快，相轉變加快，產生較大的組織應力[5]。40CrNiMoA鋼經調質后的組織為回火索氏體[6]，升溫向奧氏體轉變時體積減小，產生拉應力，當拉應力過大來不及釋放時就產生裂紋。因此為防止此類淬火裂紋的產生，建議合理控制傳動軸高頻淬火工藝。

3 結論及建議

本故障中傳動軸花鍵縱向裂紋產生于高溫淬火的升溫階段，為防止此類淬火裂紋的發生，建議合理控制傳動軸的高頻淬火工藝。