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GCr15鋼制行星輪軸在使用過程中以及精磨過程中出現(xiàn)周向或環(huán)狀裂紋，個(gè)別零件裂紋貫穿表面。該批零件生產(chǎn)工藝流程為：棒材下料→球化退火→鍛造成型→機(jī)械加工→熱處理淬火、回火→機(jī)加精磨外圓→成品→清洗→防銹。熱處理要求為：硬度60～66HRC，熱處理淬火加熱所用設(shè)備為井式淬火爐，型號為RJJ-75-9D，所用工裝為自制工裝，每爐裝載量90件，加熱溫度850℃，保溫時(shí)間120min，煤油滴量為20～40滴/min（防止脫碳），淬火介質(zhì)為30#機(jī)油。油淬后以75℃熱水清洗并回火，回火所用設(shè)備為井式回火爐，型號為RJJ36-6，回火溫度為180℃，回火保溫時(shí)間120min。在裝配過程及精磨外圓過程中，部分行星輪軸出現(xiàn)裂紋，本文就此進(jìn)行失效原因分析。

 

1.討論與分析

（1）宏觀斷口形貌

圖1為行星輪軸示意，圖2為失效零件。通過觀察發(fā)現(xiàn)，失效斷口平行于工件周向，斷面平齊，屬于脆性斷裂。根據(jù)撕裂棱特征判斷裂紋走向，發(fā)現(xiàn)斷口存在多個(gè)裂紋源，位置在工件表面沿周向分布。

 

 

（2）探傷檢驗(yàn)

對失效的行星輪軸以及成品庫房待用零件進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工件表面存在不同程度的裂紋，如圖3所示。圖3a裂紋成龜甲狀，圖3b裂紋方向沿周向平行擴(kuò)展，且垂直于磨削方向。

 

 

（3）硬度分析

對失效零件進(jìn)行硬度分析，如圖4所示，沿箭頭方向分別為1、2、3、4、5、6測試點(diǎn)，對零件不同位置進(jìn)行硬度分析的結(jié)果如表1。

 

表1結(jié)果說明，經(jīng)過冷加工磨削后零件表面硬度值均勻且偏上限，符合零件硬度要求。零件橫切面硬度最低點(diǎn)為48HRC，說明零件已淬透。

表1零件不同位置的硬度值

測試位置	硬度HRC
	邊緣1	邊緣2	心部3	心部4	邊緣5	邊緣6
橫切后端面	61	60	50	48	55	58
零件表面	65	64	65	64	65	65

 

（4）化學(xué)成分分析

對行星輪軸的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表2，其化學(xué)成分符合GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》的要求。

表2 GCr15鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

元素	C	Si	Mn	Cr	P	S	Ni	Cu
GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn)要求	0.95～1.05	0.15～0.30	0.25～0.45	1.4～1.65	≤0.025	≤0.025	≤0.3	≤0.25
測定值	1.01	0.28	0.30	1.54	0.014	0.019	0.21	0.19

（5）夾雜檢測

在裂紋集中處切取一段制成金相試樣，按GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》進(jìn)行非金屬夾雜檢測，結(jié)果見表3，由表3可知，行星輪軸材料所含非金屬夾雜物均符合GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 行星輪軸非金屬夾雜物檢測結(jié)果

非金屬夾雜物類型	GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn)要求		實(shí)測結(jié)果
	細(xì)系	粗系	細(xì)系	粗系
A	2.5	1.5	1.5	0.5
B	2.0	1.0	0	0
C	0.5	0.5	0	0
D	1.0	1.0	0.5	0.5

（6）金相組織觀察

表層裂紋及形貌：在對失效零件進(jìn)行金相分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)了許多由表面向內(nèi)延伸的表面裂紋，裂紋長度在0.15～0.20mm之間，裂紋垂直于表面向內(nèi)延伸，見圖5。裂紋末端尖銳，沿晶界擴(kuò)展，且裂紋兩側(cè)無氧化、無脫碳。圖5裂紋形貌曲折、間斷，而且裂紋體的有些部位出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，說明淬火時(shí)存在較大的內(nèi)應(yīng)力（包括組織應(yīng)力和熱應(yīng)力）。

 

觀察表層裂紋附近的金相組織，如圖6所示，圖中組織為細(xì)針狀馬氏體以及隱針馬氏體，未溶解的碳化物顆粒以及少量的殘留奧氏體。正常馬氏體應(yīng)該是隱針狀馬氏體和少量細(xì)針狀馬氏體，均勻分布的細(xì)小碳化物顆粒以及少量的殘留奧氏體組織。圖6均顯示馬氏體針較明顯且粗大，說明在熱處理過程中有過熱的傾向。

對試樣使用50%的鹽酸溶液進(jìn)行熱酸蝕，使表面裂紋顯示的更明顯，酸洗后的表面情況如圖7所示。由圖可知，行星輪軸表面有多條裂紋，呈現(xiàn)出與磨削方向垂直的平形狀分布。

 

2.結(jié)果分析

（1）裂紋產(chǎn)生的原因

斷口的形貌分析及金相觀察說明,零件表面的裂紋多起源工件表面,且裂紋兩側(cè)無氧化脫碳現(xiàn)象,說明這些表面裂紋產(chǎn)生于淬火冷卻時(shí)或冷卻后。本批行星輪軸均為GCr15高碳合金鋼制造的薄壁零件,淬火時(shí)已淬透，因馬氏體與奧氏體比容的差異以及奧氏體、馬氏體與碳化物熱膨脹系數(shù)的巨大差異,加之零件存在的過熱傾向，淬火時(shí)勢必產(chǎn)生較大的淬火應(yīng)力，由于心部的馬氏體相變落后于表面,且馬氏體比容大于奧氏體,因此增大了零件表面的拉應(yīng)力,促使表層的張開型淬火裂紋向里擴(kuò)展。

 

（2）磨削裂紋的確定

磨削裂紋是零件在淬火后精磨時(shí),由于磨削表層的局部內(nèi)應(yīng)力(由淬火應(yīng)力和磨削力共同決定)超過了材料的斷裂極限而產(chǎn)生的局部裂紋。磨削裂紋一般呈細(xì)密的且與磨削方向垂直的直線狀分布，或以龜甲形狀出現(xiàn)。雖然形態(tài)會有所不同，但磨削裂紋一般均存在于磨削表面較淺的范圍內(nèi)。本試驗(yàn)所觀察到的表面裂紋大多起源于零件的磨削面，且裂紋較淺，在無損探傷檢驗(yàn)以及熱腐蝕后，表面裂紋形貌均符合磨削裂紋形貌情況。

 

在零件磨削過程中，磨削應(yīng)力改變了零件內(nèi)部高應(yīng)力的分布狀態(tài)，使心部靠外區(qū)域中原來的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力,從而促進(jìn)該處裂紋的萌生和擴(kuò)展，所以裂紋雖屬于磨削裂紋，但不是開裂的根本原因，磨削只是促進(jìn)了淬火裂紋的擴(kuò)展,最終導(dǎo)致了零件的磨削開裂。

 

3.結(jié)語

（1）該批GCr15鋼制行星輪軸的開裂失效雖然發(fā)現(xiàn)于磨削工序,但磨削并不是零件開裂的根本原因，尖銳的機(jī)加工刀痕只是加劇了淬火應(yīng)力的集中，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

 

（2）零件加熱時(shí)的過熱敏感性,增大了淬火裂紋的萌生幾率,致使行星輪軸在較大的淬火應(yīng)力下產(chǎn)生了表面裂紋。同時(shí),淬火后未及時(shí)回火以及回火不充分,使零件長時(shí)間處于高應(yīng)力狀態(tài),促進(jìn)了淬火裂紋的擴(kuò)展。

 

4.改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，采取了以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施,基本消除了GCr15鋼行星輪軸的開裂現(xiàn)象：

 

（1）加強(qiáng)原材料的檢驗(yàn),確保其成分、組織及各種缺陷在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)?？刂魄蚧嘶鸺板懺旃ば颍ＷC淬火前的組織正常。

 

（2）提高淬火前零件的表面光潔度,消除尖銳的機(jī)加工刀痕；淬火加熱時(shí),控制裝爐量,避免溫度過高或時(shí)間過長，以免發(fā)生較嚴(yán)重的氧化、脫碳；零件遇不合格返修時(shí)，必須經(jīng)過退火消應(yīng)力。

 

（3）改變回火工藝，將原回火時(shí)間120min延長至180min。

 

作者：牟懷飛，楊瑞，馮凱強(qiáng)

單位：中國一拖股份有限公司熱處理廠