C35鋼花鍵軸開裂原因分析

包 鋒，鐘芳華，劉年富

(寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

花鍵軸是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中用來傳遞軸與軸之間運(yùn)動(dòng)和扭矩的零件，其既要準(zhǔn)確完成嚙合動(dòng)作，又要重復(fù)地實(shí)現(xiàn)交變載荷的傳遞。因此，零件對(duì)嚙合精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都有很高的要求。傳統(tǒng)的花鍵軸生產(chǎn)工藝是采用切削加工，由于工藝復(fù)雜，材料利用率低，成本高，且零件的強(qiáng)度和疲勞壽命大大降低，達(dá)不到產(chǎn)品的使用性能要求。冷擠壓成形是花鍵軸生產(chǎn)中比較先進(jìn)的一種方法，其生產(chǎn)效率、材料利用率比傳統(tǒng)切削加工工藝要高，而且能大大提高零件的強(qiáng)度和精度。因此冷擠壓工藝已經(jīng)在眾多的工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

某公司使用C35鋼生產(chǎn)的花鍵軸，在車削加工過程中發(fā)現(xiàn)花鍵軸鉚點(diǎn)位置出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，花鍵軸具體生產(chǎn)工藝為：球化退火→車外圓平兩端面→磷皂化→粗?jǐn)D壓→磷皂化→精擠壓→機(jī)加工。為查明原因，通過化學(xué)成分分析、金相組織觀察和掃描電鏡分析等手段，對(duì)上述問題進(jìn)行分析。

1 試樣檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

圖1為開裂花鍵軸的宏觀形貌，開裂部位位于花鍵軸上部的的鉚點(diǎn)位置，如圖1方框所示。使用體式顯微鏡對(duì)開裂鉚點(diǎn)位置進(jìn)一步放大觀察，如圖2所示，開裂位置有擠壓孔，孔下有擠壓后堆積的金屬，擠壓孔旁開裂形貌為沿加工方向有凸凹不平的、無金屬光澤的條帶。

圖1 開裂花鍵軸宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracking spline shaft

圖2 開裂鉚點(diǎn)宏觀形貌(圖1 方框放大)Fig.2 Macroscopic morphology of cracking riveting point(amplification of box in Fig.1)

1.2 化學(xué)成分

對(duì)花鍵軸取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，花鍵軸的化學(xué)成分是符合協(xié)議要求的。

1.3 夾雜物

對(duì)花鍵軸取樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，花鍵軸上有大量的細(xì)長(zhǎng)條硫化物夾雜，A細(xì)夾雜物級(jí)別達(dá)到4.0級(jí)，如圖3所示。

表1 花鍵軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖3 開裂花鍵軸硫化物形貌Fig.3 Morphology of sulfides in cracking spline shaft

1.4 帶狀組織

對(duì)花鍵軸進(jìn)行帶狀組織檢測(cè)，帶狀組織如圖4所示，珠光體大小不均，存在大塊狀珠光體，按GB/T 13299評(píng)級(jí)為3.0級(jí)，帶狀組織比較嚴(yán)重。

1.5 金相組織

對(duì)花鍵軸取樣進(jìn)行橫向顯微組織觀察，腐蝕后的宏觀形貌如圖5所示。從圖中可以看出，花鍵軸的邊部和心部形貌存在明顯的差別。通過金相顯微鏡對(duì)花鍵軸的邊部和心部組織進(jìn)一步放大觀察，邊部區(qū)域存在較多的黑色大塊狀片狀珠光體+鐵素體，如圖6(a)所示。而心部區(qū)域黑色大塊狀珠光體較少，主要為均勻分布的珠光體+鐵素體，珠光體多數(shù)為片層狀，少量為粒狀，如圖6(b)所示。從花鍵軸的橫向顯微組織看，整個(gè)橫截面上的組織分布是很不均勻的。

圖4 開裂花鍵軸帶狀組織Fig.4 Banded structure of cracking spline shaft

圖5 開裂花鍵軸橫向顯微組織Fig.5 Transverse microstructure of cracking spline shaft

(a)邊部(圖5中A區(qū)域)；(b)心部(圖5中B區(qū)域)圖6 開裂花鍵軸橫向顯微組織(a) edge at area A in figure 5; (b) core at area B in figure 5Fig.6 Transverse microstructure of cracking spline shaft

1.6 電鏡分析

為了進(jìn)一步找出花鍵軸鉚點(diǎn)開裂的原因，使用掃描電鏡對(duì)花鍵軸開裂鉚點(diǎn)位置進(jìn)行觀察，掃描電鏡下的開裂斷口微觀形貌如圖7所示。從圖中可以看出，花鍵軸鉚點(diǎn)開裂部位斷口主要為大量的長(zhǎng)條狀韌窩和等軸韌窩，部分韌窩中可見夾雜物。表2的能譜分析結(jié)果表明，此夾雜物的主要成分為Fe、Mn、S，由此判斷此夾雜物為硫化錳。

表2 夾雜物能譜分析結(jié)果

2 分析討論

C35屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，為了改善加工性能，通常會(huì)加入一定量的硫，硫含量約0.026%。從圖3和圖4的夾雜物和帶狀組織看，花鍵軸的A類夾雜物級(jí)別達(dá)到4.0級(jí)，帶狀組織級(jí)別為3.0級(jí)，且珠光體大小不均勻，均有大塊狀的珠光體。從花鍵軸的橫向顯微組織看，花鍵軸整個(gè)橫截面的組織非常不均勻，邊部存在大塊狀的珠光體+鐵素體，而心部組織則相對(duì)均勻。結(jié)合客戶的生產(chǎn)工藝流程，花鍵軸嚴(yán)重的帶狀組織及橫向顯微組織的不均勻與退火工藝不當(dāng)有關(guān)。從圖7的花鍵軸開裂鉚點(diǎn)掃描電鏡圖可以看出，開裂部位斷口主要為大量的長(zhǎng)條狀韌窩和等軸韌窩，部分韌窩上還能觀察到條狀硫化物，從斷口形貌看，花鍵軸開裂形貌屬于韌性開裂。

圖7 開裂花鍵軸掃描電鏡形貌Fig.7 SEM morphology of cracking spline shaft

通過以上分析表明，引起花鍵軸鉚點(diǎn)開裂的主要原因是花鍵軸組織不均勻、存在嚴(yán)重的帶狀組織，降低了花鍵軸的橫向性能[4-5]。此外，花鍵軸存在大尺寸的硫化物夾雜，在冷擠壓過程中，鉚點(diǎn)除了承受軸向的擠壓力外，還要承受徑向的擠壓力，徑向的擠壓力易于在硫化物處產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生裂紋。由于組織的不均勻及嚴(yán)重的帶狀組織降低了花鍵軸的橫向性能，當(dāng)徑向擠壓力超過花鍵軸的強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生開裂。

3 結(jié)論

1)花鍵軸開裂的原因是組織不均勻、帶狀組織嚴(yán)重，降低了材料的橫向性能，在冷擠壓過程中，應(yīng)力在硫化物處產(chǎn)生集中，當(dāng)應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生開裂。

2)花鍵軸組織不均勻、帶狀組織嚴(yán)重與退火工藝不當(dāng)有直接關(guān)系，大尺寸硫化物的存在容易導(dǎo)致應(yīng)力集中，促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生。