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(fā)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(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110136)

某型號航空發(fā)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(diào)質(zhì)態(tài)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(diào)質(zhì)(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(jīng)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(huán)境溫度不超過180 ℃，且有潤滑油潤滑。本次故障發(fā)生在傳動軸工作17 h后的正常故檢，經(jīng)磁粉檢測在花鍵齒根處發(fā)現(xiàn)裂紋。委托方前期熒光探傷檢測結(jié)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(jīng)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(jìn)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(zhì)，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(jié)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(qū)和人工打開區(qū)之間的顏色對比差別較為明顯，原始裂紋區(qū)主要呈深藍(lán)色，人工打開區(qū)主要呈銀灰色。從高倍形貌中觀察到，原始裂紋區(qū)的深度較為均一，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)其平均深度約為0.6 mm，且原始裂紋區(qū)靠近表面部分和內(nèi)部區(qū)域的顏色稍有差異，由表及里的顏色變化為由深藍(lán)色逐漸向金黃色過渡。

1.2 微觀觀察

為獲得原始裂紋區(qū)域的微觀形貌，將裂紋打開面進(jìn)行超聲清洗并吹干后，采用掃描電鏡進(jìn)行觀察。其中圖4為人工打開區(qū)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(qū)的低倍形貌見圖5(a)，裂紋內(nèi)部區(qū)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(qū)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(qū)呈沿晶斷裂。采用EDS能譜分析裂紋打開面不同區(qū)域的元素分布，結(jié)果顯示圖5(b，c)所示區(qū)域氧的含量在6%～10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間，說明原始裂紋面存在較為明顯的氧化現(xiàn)象。

圖4 人工打開區(qū)微觀形貌

圖5 原始裂紋區(qū)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(jié)構(gòu)，還可以檢測材料內(nèi)部是否存在空洞、夾雜、裂紋等缺陷。

為了對比原始裂紋區(qū)與材料內(nèi)部區(qū)域的組織，將帶裂紋的花鍵試樣沿橫向預(yù)磨并拋光后，采用光學(xué)顯微鏡觀察花鍵裂紋區(qū)的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖6(a)所示。可以觀察到原始裂紋區(qū)附近與材料內(nèi)部區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)相似，裂紋附近未見明顯的脫碳現(xiàn)象，也未見其它明顯異常。該區(qū)域腐蝕后的形貌如圖6(b)所示，將原始裂紋區(qū)域腐蝕后的形貌放大后如圖6(c)所示，材料內(nèi)部區(qū)域腐蝕后的形貌放大后如圖6(d)所示。經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn)，原始裂紋區(qū)域和材料內(nèi)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(qū)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(yōu)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(qū)域的硬度后取平均值進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。傳動軸花鍵表面和心部區(qū)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(guān)技術(shù)要求。

表1 傳動軸花鍵洛氏硬度測試結(jié)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(jīng)歷的溫度不同所致。例如鈦合金經(jīng)歷500 ℃后表面呈現(xiàn)灰黃色，600 ℃后呈藍(lán)色，650 ℃后呈灰藍(lán)色，750 ℃后呈棕色，800～850 ℃后呈棕紅色[1]。溫色對比試驗是根據(jù)金屬構(gòu)件表面的顏色與燒熔特征，推斷其所經(jīng)歷的溫度與時間的試驗方法。工程上，構(gòu)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(qū)域截取多個試樣，經(jīng)600號砂紙打磨后，分別選定150、450、550、700和850 ℃不同溫度進(jìn)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(fā)現(xiàn)，經(jīng)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(lán)色、淡藍(lán)色、藍(lán)色和深藍(lán)色。對比圖3(b)裂紋打開面宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)原始裂紋區(qū)斷面顏色與試樣經(jīng)850 ℃×5 min熱模擬試驗后相似，均為深藍(lán)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(qū)斷面顏色呈高溫氧化色，與圖5(b，c)中EDS數(shù)據(jù)顯示原始裂紋區(qū)域含較高氧元素(6%～10%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))的結(jié)果相一致，結(jié)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(jù)金屬材料的高溫力學(xué)性能可知，當(dāng)環(huán)境溫度高于材料的等強溫度后，金屬材料的晶內(nèi)強度高于晶界強度，將發(fā)生沿晶斷裂[2]。由圖4可知，人工打開區(qū)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(qū)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(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，結(jié)合裂紋區(qū)組織和硬度與基體一致，未見明顯的脫碳現(xiàn)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(chǎn)生的。

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

D=D0·exp(-Q/RT)

(1)

式中：D0為擴散常數(shù)；Q為擴散激活能。

由公式(1)可知，溫度越高，原子擴散系數(shù)越大，氧化反應(yīng)速度越快，生成的氧化膜越厚。根據(jù)圖7花鍵材料在150～850 ℃范圍內(nèi)的溫色對比結(jié)果可知，經(jīng)歷700 ℃×5 min后材料表面呈藍(lán)色，經(jīng)歷850 ℃×5 min 后材料表面呈深藍(lán)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(guī)律，其試驗結(jié)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(jié)合上述規(guī)律可知，花鍵材料在高溫淬火溫度(880～900 ℃)下的氧化速率應(yīng)明顯高于850 ℃，可在較短時間(10～15 s)內(nèi)生成較厚的氧化膜，呈深藍(lán)色。

綜上所述，傳動軸花鍵原始裂紋在高溫時產(chǎn)生，呈穿晶斷裂。裂紋產(chǎn)生后經(jīng)歷了高溫氧化，表面呈深藍(lán)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(xiàn)。這是由于當(dāng)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(chǎn)生熱應(yīng)力。同時，加熱電流過大還可以導(dǎo)致升溫過快，相轉(zhuǎn)變加快，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力[5]。40CrNiMoA鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后的組織為回火索氏體[6]，升溫向奧氏體轉(zhuǎn)變時體積減小，產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力過大來不及釋放時就產(chǎn)生裂紋。因此為防止此類淬火裂紋的產(chǎn)生，建議合理控制傳動軸高頻淬火工藝。

3 結(jié)論及建議

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