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如圖1所示圓錐齒輪軸是我公司某產(chǎn)品中的關鍵零件，材料為18CrNiMo7-6，圖樣要求滲碳淬火58～62HRC，心部硬度40～43HRC。工藝流程：鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→半精加工→滲碳淬火→精加工。在使用過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象，斷裂部位均發(fā)生在軸的尾部臺階處。

圖 1

1.宏觀觀察及斷口分析

斷裂部位集中在兩處，一是臺階的圓角處，斷口比較齊，另外就是軸尾部的鍵槽處，由于使用環(huán)境惡劣，軸的斷口大部分受到污染，粗步判斷軸的尾部應力太大，屬于脆性斷裂。

2.化學成分檢驗

從化學成分檢驗結(jié)果來看，成分波動較大，熱處理過程不容易準確控制，為此，從原材料入手，控制材料主要成分C、Cr的波動范圍，目的是根據(jù)每爐的實際成分隨時調(diào)整熱處理工藝。

3.硬度及金相組織檢驗

根據(jù)GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》取樣，使用線切割在斷裂處切片檢查硬度，在裂紋處取樣做金相分析，結(jié)果見圖2。

切片檢查硬度，從軸徑外側(cè)到心部硬度依次為44.1HRC、43.1HRC、42.1HRC、41.7HRC、41.3HRC。硬度表明，斷裂軸徑從外到里，硬度變化非常小，硬度梯度很小。同時，金相組織從外到里差別很小，均是馬氏體+鐵素體，根據(jù)JB/T6141.3-1992《滲碳金相組織評級》殘留奧氏體2級、馬氏體2級、碳化物2級、心部鐵素體2級。

4.表面應力測試

通過測試，發(fā)現(xiàn)軸的表面存在拉應力，說明軸在滲碳淬火后的加工過程產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象。

失效原因分析：從檢驗結(jié)果看，斷裂軸徑從外到里，硬度符合圖樣要求（40～43HRC），但變化非常小，即硬度梯度很小，同時金相組織又差別不大，說明在滲碳、淬火過程中，整個軸徑被淬透了。其次，由于軸的表面拉應力的作用，在使用過程中，不能通過適量的塑性變形來降低應力集中及阻止裂紋的擴展。同時，由于鍵槽加工不良產(chǎn)生的尖角和刀痕更加速了裂紋的形成和擴展。

5.改進方法探討

（1）加大軸斷裂處臺階的過渡圓角，降低粗糙度，減小應力發(fā)生。

（2）通過試驗，延緩滲碳淬火冷卻時間和冷卻強度，可以有效改善組織，減少斷裂現(xiàn)象。改進熱處理過程后的金相組織結(jié)果見圖3。

（3）不同直徑的軸熱處理后內(nèi)部應力不同，滲碳淬火工藝也應不同。

（4）由于化學成分波動比較大，造成熱處理滲碳淬火過程很難有效控制，因此，控制材料的碳等主要元素的波動范圍，縮小減少材料的淬透性帶寬，也可以有效改善軸的組織狀況，減緩軸的斷裂現(xiàn)象。

（5）延緩滲碳淬火冷卻時間和冷卻強度和控制材料的化學成分不能同時使用，否則會降低軸的強度，應針對不同含量的材料使用不同的工藝。

（6）通過先進的毫克能技術(shù)降低軸表面的應力，減少應力集中現(xiàn)象。

總之，軸的失效斷裂是多方面的原因造成的，只有從零件的結(jié)構(gòu)設計、機械加工、熱處理過程、材料的化學成分等方面“多管齊下”，才會延緩軸的壽命，改善軸的制造質(zhì)量。

作者：喬燕芳、馬立業(yè)、虎巖

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