一種主動軸的失效原因及工藝改進

■ 張仙平，李忠亮，任園春，劉海燕

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1.宏觀分析

斷裂發(fā)生在卡環(huán)槽的根部，零件斷裂如圖1所示，卡環(huán)槽表面無磕碰傷等影響表面粗糙度的損傷；零件的斷口形貌如圖2所示，從圖中可看出，零件斷口附近沒有明顯的宏觀塑性變形，且斷面平坦，有明顯的疲勞弧線，符合疲勞斷裂的特征；裂紋起源于卡環(huán)槽表面，疲勞擴展區(qū)域表面平整光滑，明顯的疲勞弧線只出現在瞬斷區(qū)附近，并且瞬斷區(qū)域相對較小。另外，瞬斷區(qū)相對位置和裂紋源存在一定的角度，說明該主動軸所承受的工作應力不大。

根據以上斷口特征可以判定，該主動軸的斷裂性質為低應力高周旋轉彎曲疲勞；根據疲勞弧線背向裂紋源的特征，可看出該軸卡環(huán)槽處的幾何形狀所造成的應力集中對裂紋的擴展起到一定的促進作用。為此，在裂紋源處取樣進行材質分析。

2.材質分析

圖1 零件斷裂部位示意

圖2 斷口形態(tài)

將裂紋源處所取的試樣進行金相分析，試樣經磨制、拋光后在光學顯微鏡下進行非金屬夾雜物檢驗，依據GB/T10561—2005進行評級，結果顯示各類夾雜物的評級均為0.5級，非金屬夾雜物評級結果滿足技術要求；試樣經4%硝酸酒精浸蝕后進行金相組織檢驗，因為該批主動軸零件的熱處理工序為：調質處理和感應淬火+低溫回火，所以針對圖樣要求的指標逐一進行檢驗。

（1）調質指標 試樣腐蝕后的組織為回火索氏體+少量的細條狀鐵素體，如圖3所示，依據GB/T 13320—2007進行評級，結果顯示回火組織評級為2級；在調質位置進行硬度檢測，結果為270～280HBW，均滿足圖樣要求（調質組織≤4級，硬度262～302HBW）。

圖3 調質組織

（2）感應淬火指標 在斷裂部位（見圖4）取樣，檢測其淬硬層深、馬氏體級別和表面硬度。參照我企業(yè)Q/YT 310.4—2014標準，所檢感應淬火結果如下：斷裂部位軸頸處淬硬層深2.2mm，馬氏體5級（見圖5）表面硬度55～56HRC，符合圖樣要求，但是卡環(huán)槽底部無淬硬層（感應淬火層深1～2.5mm，表面硬度52～57HRC）。

圖4 斷裂部位

圖5 淬硬層組織

3.原因分析

通過以上的分析可知，該主動軸起裂于卡環(huán)槽根部，根據斷口分析可以判定，該軸的斷裂性質為低應力高周旋轉彎曲疲勞斷裂；通過對其材質的分析可知，在試樣上未發(fā)現非金屬夾雜物、疏松等材料類缺陷，并且該軸的調質組織和感應淬火組織以及相應的硬度均滿足圖樣要求，說明該主動軸的材質本身狀態(tài)良好；但是值得注意的一點是，在卡環(huán)槽的底部無淬硬層。

一般來說，影響疲勞斷裂失效的主要因素有零件的結構形狀、表面狀態(tài)、材料及其組織狀態(tài)、使用環(huán)境及載荷頻譜等。

通過以上分析發(fā)現：卡環(huán)槽表面光滑，表面粗糙度滿足要求；在斷口上未發(fā)現腐蝕、高溫等環(huán)境影響；斷口的瞬斷區(qū)較小，且擴展區(qū)域多為光滑細實的平坦面，因此，可排除以上因素對該軸斷裂的影響。

雖然該主動軸材質本身狀態(tài)良好，熱處理結果都滿足要求，但是在卡環(huán)槽處未發(fā)現感應淬火組織。因為卡環(huán)槽處與零件的其他淬硬區(qū)一樣承受相同的機械應力，由于該處未淬火，會使其強度明顯低于淬硬區(qū)的強度，根據兩處的硬度可以估算，卡環(huán)槽處的強度約為其他淬硬區(qū)的一半，導致該處材料的疲勞抗力大幅降低；從零件殘余應力的角度來說，感應加熱淬火后，從零件表面往里，會構成表面受壓、中間受拉或略微受壓的應力特點，拉應力的峰值往往出現在硬化層結束的過渡區(qū)域，并隨著硬化層深度的變淺，拉應力峰值趨于表面。從金相分析可以看出，由于卡環(huán)槽處未淬火，導致淬火區(qū)與非淬火區(qū)的過渡帶正好落在卡環(huán)槽根部，加之由于零件幾何形狀而產生的應力集中影響，各種拉應力峰值彼此相互交叉，甚至重合疊加，造成該槽底表面處于較大的拉應力水平，同樣會降低材料的疲勞抗力。

綜合以上分析，說明卡環(huán)槽底部無淬硬層是導致該批零件失效的主要原因。為此需調整感應淬火工藝，保證卡環(huán)槽底部淬硬層連續(xù)。

4.改進措施

通過對零件的結構進行分析，結合圓環(huán)感應器磁力線分布的特性，發(fā)現相對于相鄰的軸徑部位，卡環(huán)槽底部升溫速度慢。所以想要卡環(huán)槽底部有一定的淬硬層深，需要在感應器移動至卡環(huán)槽部位時，靜止加熱一定的時間，便于卡環(huán)槽底部達到淬火溫度。但是因感應淬火存在尖角效應，在該部位加熱時，卡環(huán)槽尖角部位升溫速度會更快。如加熱時間過長，易使尖角部位因溫度過高，在同樣的冷卻條件下，出現淬裂現象，或者尖角部位被燒熔，從而導致零件報廢。因此，工藝的關鍵點在于合理地控制卡環(huán)槽部位的靜止加熱時間。

該零件生產所用感應器規(guī)格為：φ80mm(加裝導磁體)、寬20mm。經過多次試驗，將感應器移動至卡環(huán)槽處位于感應器上端1/3處時，可用最短的加熱時間，使卡環(huán)槽底部達到淬火溫度。按照上述思路，對零件開始進行工藝調試。

同時，對零件整體熱處理指標的檢測顯示，除卡環(huán)槽底部無淬硬層外，其余部位指標皆滿足圖樣要求。故此次試驗，在原生產工藝的基礎上，只針對卡環(huán)槽處進行調整。

原軸頸處工藝參數為：功率75kW，移動速度450mm/min。

（1）第一次試驗 試驗方案：在原工藝的基礎上，增加靜止加熱時間，即將感應器移動至卡環(huán)槽處，靜止加熱0.1s。待卡環(huán)槽移動至噴水圈位置時，觀察卡環(huán)槽底部溫度。

試驗結果：按照上述方案，實際生產過程中通過肉眼觀察，卡環(huán)槽底部溫度過低(底部顏色呈暗櫻紅色)，沒有達到淬火溫度。故需要增加靜止加熱時間。

（2）第二次試驗 試驗方案：在第一次試驗的基礎上，將靜止加熱時間更改為0.3s。

試驗結果：肉眼觀察卡環(huán)槽移動至噴水圈位置時，卡環(huán)槽底部顏色呈亮櫻紅色。淬火后，切檢卡環(huán)槽底部及其相鄰軸頸，檢測其淬火結果。

經切檢，卡環(huán)槽底部兩端有淬硬層，底部中間約2/3的部位依舊無淬硬層。如圖6所示。

（3）第三次試驗 試驗方案：在第二次試驗的基礎上，更改靜止加熱時間為0.5s。

試驗結果：肉眼觀察當卡環(huán)槽移動至噴水圈位置時，卡環(huán)槽底部顏色呈亮紅色。淬火后，切檢同樣部位，檢驗其淬火結果。

檢測結果如下：卡環(huán)槽底部淬硬層深1.0mm，相鄰軸頸處淬硬層深2.5mm，如圖7所示。

經過上述三次試驗，最終保證軸頸與卡環(huán)槽底部淬硬層連續(xù)，且相鄰軸頸處淬硬層深符合圖樣技術要求。按照第三次試驗方案，再生產5件該零件，肉眼觀察卡環(huán)槽兩端尖角處溫度無異常，淬火后檢查尖角兩端并無燒蝕等現象發(fā)生。同時，經磁粉檢測，無裂紋。

截止目前按照第三次試驗方案，分兩次共生產了該零件200余件，無異常情況發(fā)生。

5.結語

（1）主動軸卡環(huán)槽底部無淬硬層是導致該零件失效的主要原因。

（2）對于感應淬火區(qū)域中有卡環(huán)槽、臺階等結構的零件，淬火區(qū)域必須連續(xù)，使其表面處于壓應力狀態(tài)，能夠抵消因結構缺口產生的應力集中，提高零件的疲勞極限。

圖6 第二次試驗結果

圖7 第三次試驗結果