圓錐齒輪軸失效分析及改進(jìn)
2019-06-25 喬燕芳 馬立業(yè) 虎巖
（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司）
如圖1所示圓錐齒輪軸是我公司某產(chǎn)品中的關(guān)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(tái)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(tái)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(yīng)力太大，屬于脆性斷裂。
2.化學(xué)成分檢驗(yàn)
從化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果來看，成分波動(dòng)較大，熱處理過程不容易準(zhǔn)確控制，為此，從原材料入手，控制材料主要成分C、Cr的波動(dòng)范圍，目的是根據(jù)每爐的實(shí)際成分隨時(shí)調(diào)整熱處理工藝。
3.硬度及金相組織檢驗(yàn)
根據(jù)GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)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(shí)，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(píng)級(jí)》殘留奧氏體2級(jí)、馬氏體2級(jí)、碳化物2級(jí)、心部鐵素體2級(jí)。
4.表面應(yīng)力測(cè)試
通過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)軸的表面存在拉應(yīng)力，說明軸在滲碳淬火后的加工過程產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。
失效原因分析：從檢驗(yàn)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(shí)金相組織又差別不大，說明在滲碳、淬火過程中，整個(gè)軸徑被淬透了。其次，由于軸的表面拉應(yīng)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(yīng)力集中及阻止裂紋的擴(kuò)展。同時(shí)，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(kuò)展。
5.改進(jìn)方法探討
（1）加大軸斷裂處臺(tái)階的過渡圓角，降低粗糙度，減小應(yīng)力發(fā)生。
?。?）通過試驗(yàn)，延緩滲碳淬火冷卻時(shí)間和冷卻強(qiáng)度，可以有效改善組織，減少斷裂現(xiàn)象。改進(jìn)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(yīng)力不同，滲碳淬火工藝也應(yīng)不同。
?。?）由于化學(xué)成分波動(dòng)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(dòng)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(shí)間和冷卻強(qiáng)度和控制材料的化學(xué)成分不能同時(shí)使用，否則會(huì)降低軸的強(qiáng)度，應(yīng)針對(duì)不同含量的材料使用不同的工藝。
?。?）通過*的毫克能技術(shù)降低軸表面的應(yīng)力，減少應(yīng)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(shè)計(jì)、機(jī)械加工、熱處理過程、材料的化學(xué)成分等方面“多管齊下”，才會(huì)延緩軸的壽命，改善軸的制造質(zhì)量。
來源：《金屬加工（熱加工）》
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