45#鋼農(nóng)機轉向軸斷裂原因分析*

趙立新，史 偉，李金梅，蒙 騫，陳維剛

(1.蘭州長信機電制造有限責任公司，甘肅 蘭州 730050； 2.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

轉向軸的功用是將駕駛員作用于轉向盤的轉向力矩傳遞給轉向器，它的上部與轉向盤固定連接，下部與轉向器相連，以此來控制車輪前進的方向，因此轉向軸性能的好壞對車輛的安全使用而言至關重要[1]。某公司采購的農(nóng)機轉向軸安裝擰緊過程中，轉向軸螺紋根部發(fā)生了脆性斷裂如圖1、2所示，造成了轉向軸的失效報廢。該轉向軸軸材質為45#鋼，供貨標注的熱處理狀態(tài)為調質。筆者針對以上問題，對其取樣進行了化學分析、金相檢驗、熱處理試驗、夏比沖擊等相關內容的檢驗與分析，最終找出失效原因并得出能夠指導此類軸熱處理過程的結論。

1 理化檢測

1.1 化學分析

在轉向軸開裂斷口附近取樣，采用QSN750 型直讀光譜儀，依據(jù)標準JIS G1253-2002 AMD.1-2013，項目基金來源：市級科技計劃項目(2019-4-48)。

《鋼鐵-火花放電原子發(fā)射光譜分析法》對試樣進行化學成分分析(如表1所列)，結果符合GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》中對45#鋼的要求。

圖1 斷裂的轉向軸 圖2 轉向軸斷裂斷口形貌

表1 化學成分分析結果 /%

1.2 金相檢驗

1.2.1 宏觀檢驗

轉向軸整體斷口平整，未有塑性表明的痕跡，整體呈現(xiàn)脆性斷裂的特征(如圖2所示)。在轉向軸斷口以下10 mm處取樣進行宏觀檢驗，試樣經(jīng)酸蝕后宏觀檢測，其中中心疏松級別為1.0級，未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點等缺陷等缺陷(如圖3所示)。

1.2.2 顯微分析

在斷口附近取樣，采用GX51型光學顯微鏡進行顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)顯微組織為索氏體+鐵素體，晶粒度未發(fā)現(xiàn)長大，未發(fā)現(xiàn)明顯的過熱、過燒、魏氏組織等異?，F(xiàn)象(如圖4所示)。試驗室對轉向軸取樣按照GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》要求進行調質處理，其中淬火溫度為860 ℃，回火溫度為600 ℃，顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體(如圖5所示)。

圖4 轉向軸顯微組織 圖5 經(jīng)調質處理后試樣的顯微組織

1.2.3 沖擊韌性試驗

在轉向軸上取樣兩組沖擊試樣，一組直接進行沖擊韌性試驗，另一組按照GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》要求進行調質處理。

沖擊試驗采用ZBC2602N-3型沖擊試驗機，按照GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行試驗(見表2)，沖擊試驗結果表明轉向軸上直接取樣后的試樣沖擊韌性較差，遠低于標準要求值，經(jīng)過試驗室調質處理后的試樣，沖擊韌性較好，符合標準GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》的要求。

表2 沖擊韌性試驗結果

2 分析與討論

通過化學分析發(fā)現(xiàn)，轉向軸材質的化學成分符合GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》中對45#鋼的標準要求，表明轉向軸斷裂不是由于材料的化學成分不符合標準要求而引起的。

宏觀斷口上來看，在其斷裂過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，整個斷口表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征，宏觀檢驗時發(fā)現(xiàn)其中心疏松級級別為1.0級，中心疏松亦未達到足以引起開裂的級別。未發(fā)現(xiàn)縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮和白點等缺陷等缺陷。

顯微組織檢驗時發(fā)現(xiàn)轉向軸的顯微組織為索氏體+鐵素體，未發(fā)現(xiàn)明顯的過熱、過燒、魏氏組織等異?，F(xiàn)象，但是其顯微組織與工藝要求的調質熱處理的結果不吻合，試驗室取樣進行調質處理后，所得的顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，與調質熱處理的要求吻合。

沖擊韌性試驗結果表明，轉向軸的沖擊功平均值僅為15.2J，遠低于標準要求值39J，尤其是試驗溫度選擇在室溫，試驗溫度與安裝時斷裂溫度相近，即表明轉向軸在室溫下受力極容易發(fā)生脆性開裂。試驗室取樣進行調質熱處理后的試樣沖擊功平均值為72J，符合標準GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》的要求，沖擊韌性明顯變好。

綜上所述，造成轉向軸斷裂的原因是由于其調質熱處理過程中造成的，可能是其淬火時冷卻速度過慢或者是采用了正火處理[2]，最終形成索氏體+鐵素體的平衡組織，與該材料調質熱處理應該得到回火索氏體的顯微組織明顯不吻合，造成了其沖擊韌性達不到標準的要求[3-4]，在其安裝過程中，由于螺紋根部容易引起應力集中，導致轉向軸受擰緊力在螺紋根部發(fā)生脆性斷裂，從而導致轉向軸斷裂失效[5-6]。

3 結 語

針對該農(nóng)機轉向軸斷裂失效問題，進行了化學分析、金相檢驗、熱處理試驗、夏比沖擊等相關內容的檢驗與分析。最終發(fā)現(xiàn)：轉向軸在其調質熱處理環(huán)節(jié)中的淬火時冷卻速度過慢或是采用了正火處理，沒有得到回火索氏體，造成其沖擊韌性達不到標準要求。在其安裝過程中受力在螺紋根部發(fā)生脆性開裂，從而導致轉向軸斷裂失效，本文結論對該類轉向軸的熱處理工藝具有一定指導作用。