一、宏觀分析
斷裂發(fā)生在卡環(huán)槽的根部,零件斷裂如圖1所示,卡環(huán)槽表面無磕碰傷等影響表面粗糙度的損傷;零件的斷口形貌如圖2所示,從圖中可看出,零件斷口附近沒有明顯的宏觀塑性變形,且斷面平坦,有明顯的疲勞弧線,符合疲勞斷裂的特征;裂紋起源于卡環(huán)槽表面,疲勞擴(kuò)展區(qū)域表面平整光滑,明顯的疲勞弧線只出現(xiàn)在瞬斷區(qū)附近,并且瞬斷區(qū)域相對較小。另外,瞬斷區(qū)相對位置和裂紋源存在一定的角度,說明該主動(dòng)軸所承受的工作應(yīng)力不大。
根據(jù)以上斷口特征可以判定,該主動(dòng)軸的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞;根據(jù)疲勞弧線背向裂紋源的特征,可看出該軸卡環(huán)槽處的幾何形狀所造成的應(yīng)力集中對裂紋的擴(kuò)展起到一定的促進(jìn)作用。為此,在裂紋源處取樣進(jìn)行材質(zhì)分析。
圖1 零件斷裂部位示意
圖2 斷口形態(tài)
二、材質(zhì)分析
將裂紋源處所取的試樣進(jìn)行金相分析,試樣經(jīng)磨制、拋光后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn),依據(jù)GB/T10561—2005進(jìn)行評級,結(jié)果顯示各類夾雜物的評級均為0.5級,非金屬夾雜物結(jié)果滿足技術(shù)要求;試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后進(jìn)行金相組織檢驗(yàn),因?yàn)樵撆鲃?dòng)軸零件的熱處理工序?yàn)?調(diào)質(zhì)處理和感應(yīng)淬火+低溫回火,所以針對圖樣要求的指標(biāo)逐一進(jìn)行檢驗(yàn)。
(1)調(diào)質(zhì)指標(biāo)
試樣腐蝕后的組織為回火索氏體+少量的細(xì)條狀鐵素體,如圖3所示,依據(jù)GB/T13320—2007進(jìn)行評級,結(jié)果顯示回火組織評級為2級;在調(diào)質(zhì)位置進(jìn)行硬度檢測,結(jié)果為270～280HBW,均滿足圖樣要求(調(diào)質(zhì)組織≤4級,硬度262～302HBW)。
圖3 調(diào)質(zhì)組織
(2)感應(yīng)淬火指標(biāo)
在斷裂部位(見圖4)取樣,檢測其淬硬層深、馬氏體級別和表面硬度。參照Q/YT 310.4—2014標(biāo)準(zhǔn),所檢感應(yīng)淬火結(jié)果如下:斷裂部位軸頸處淬硬層深2.2mm,馬氏體5級(見圖5) 表面硬度55～56HRC,符合圖樣要求,但是卡環(huán)槽底部無淬硬層(感應(yīng)淬火層深1～2.5mm,表面硬度52～57HRC)。
圖4 斷裂部位
圖5 淬硬層組織
三、原因分析
通過以上的分析可知,該主動(dòng)軸起裂于卡環(huán)槽根部,根據(jù)斷口分析可以判定,該軸的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂;通過對其材質(zhì)的分析可知,在試樣上未發(fā)現(xiàn)夾雜物、疏松等材料類缺陷,并且該軸的調(diào)質(zhì)組織和感應(yīng)淬火組織以及相應(yīng)的硬度均滿足圖樣要求,說明該主動(dòng)軸的材質(zhì)本身狀態(tài)良好;但是值得注意的一點(diǎn)是,在卡環(huán)槽的底部無淬硬層。
一般來說,影響疲勞斷裂失效的主要因素有零件的結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)、材料及其組織狀態(tài)、使用環(huán)境及載荷頻譜等。
通過以上分析發(fā)現(xiàn):卡環(huán)槽表面光滑,表面粗糙度滿足要求;在斷口上未發(fā)現(xiàn)腐蝕、高溫等環(huán)境影響因素;斷口的瞬斷區(qū)較小,且擴(kuò)展區(qū)域多為光滑細(xì)實(shí)的平坦面,因此,可排除以上因素對該軸斷裂的影響。
雖然該主動(dòng)軸材質(zhì)本身狀態(tài)良好,熱處理結(jié)果都滿足要求,但是在卡環(huán)槽處未發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火組織。因?yàn)榭ōh(huán)槽處與零件的其他淬硬區(qū)一樣承受相同的機(jī)械傳遞應(yīng)力,由于該處未淬火,會使其強(qiáng)度明顯低于淬硬區(qū)的強(qiáng)度,根據(jù)兩處的硬度可以估算,卡環(huán)槽處的強(qiáng)度約為其他淬硬區(qū)的一半,導(dǎo)致該處材料的疲勞抗力大幅降低;從零件殘余應(yīng)力的角度來說,感應(yīng)加熱淬火后,從零件表面往里,會構(gòu)成表面受壓、中間受拉或略微受壓的應(yīng)力特點(diǎn),拉應(yīng)力的峰值往往出現(xiàn)在硬化層結(jié)束的過渡區(qū)域,并隨著硬化層深度的變淺,拉應(yīng)力峰值趨于表面。從金相分析可以看出,由于卡環(huán)槽處未感應(yīng)淬火,導(dǎo)致淬火區(qū)與非淬火區(qū)的過渡帶正好落在卡環(huán)槽根部,加之由于零件幾何結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響,各種拉應(yīng)力峰值彼此相互交叉,甚至重合疊加,造成該槽底表面處于較大的拉應(yīng)力水平,同樣會降低材料的疲勞抗力。
綜合以上分析,說明卡環(huán)槽底部無淬硬層深是導(dǎo)致該批零件失效的主要原因。為此需調(diào)整感應(yīng)淬火工藝,保證卡環(huán)槽底部淬硬層深連續(xù)。
四、改進(jìn)措施
通過對零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)合圓環(huán)感應(yīng)器磁力線分布的特性,發(fā)現(xiàn)相對于相鄰的軸徑部位,卡環(huán)槽底部升溫速度慢。所以想要卡環(huán)槽底部有一定的淬硬層深,需要在感應(yīng)器移動(dòng)至卡環(huán)槽部位時(shí),靜止加熱一定的時(shí)間,便于卡環(huán)槽底部達(dá)到淬火溫度。但是因感應(yīng)淬火存在尖角效應(yīng),在該部位加熱時(shí),卡環(huán)槽尖角的部位升溫速度會更快。如加熱時(shí)間過長,易使尖角部位因溫度過高,在同樣的冷卻條件下,出現(xiàn)淬裂現(xiàn)象,或者尖角部位被燒熔,從而導(dǎo)致零件報(bào)廢。因此,工藝優(yōu)越的關(guān)鍵點(diǎn)在于合理地控制卡環(huán)槽部位的靜止加熱時(shí)間。
該零件生產(chǎn)所用感應(yīng)器規(guī)格為:φ80mm(加裝導(dǎo)磁體)、寬20mm。經(jīng)過多次試驗(yàn),將感應(yīng)器移動(dòng)至卡環(huán)槽處位于感應(yīng)器上端1/3處時(shí),可用最短的加熱時(shí)間,使卡環(huán)槽底部達(dá)到淬火溫度。按照上述思路,對零件開始進(jìn)行工藝調(diào)試。
同時(shí),對零件整體熱處理指標(biāo)的檢測顯示,除卡環(huán)槽底部無淬硬層外,其余部位指標(biāo)皆滿足圖樣要求。故此次試驗(yàn),在原生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,只針對卡環(huán)槽處進(jìn)行調(diào)整。
原軸頸處工藝參數(shù)為:功率75kW,移動(dòng)速度F450。
(1)第一次試驗(yàn)
試驗(yàn)方案:在原工藝的基礎(chǔ)上,增加靜止加熱時(shí)間,即將感應(yīng)器移動(dòng)至卡環(huán)槽處,靜止加熱0.1s。待卡環(huán)槽移動(dòng)至噴水位置時(shí),觀察卡環(huán)槽底部溫度。
試驗(yàn)結(jié)果:按照上述方案,實(shí)際生產(chǎn)過程中通過肉眼觀察,卡環(huán)槽底部溫度過低(底部顏色呈暗櫻紅色),沒有達(dá)到淬火溫度。故需要增加靜止加熱時(shí)間。
(2)第二次試驗(yàn)
試驗(yàn)方案:在第一次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,將靜止加熱時(shí)間更改為0.3s。
試驗(yàn)結(jié)果:肉眼觀察卡環(huán)槽移動(dòng)至噴水圈位置時(shí),卡環(huán)槽底部顏色呈亮櫻紅色。淬火后,切檢卡環(huán)槽底部及其相鄰軸頸,檢測其淬火結(jié)果。
經(jīng)切檢,卡環(huán)槽底部兩端有淬硬層,底部中間約2/3的部位依舊無淬硬層。如圖6所示。
圖6 第二次試驗(yàn)結(jié)果
(3)第三次試驗(yàn)
試驗(yàn)方案:在第二次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,更改靜加熱時(shí)間為0.5s。
試驗(yàn)結(jié)果:肉眼觀察當(dāng)卡環(huán)槽移動(dòng)至噴水圈位置時(shí),卡環(huán)槽底部顏色呈亮紅色。淬火后,切檢同樣部位,檢驗(yàn)其淬火結(jié)果。
檢測結(jié)果如下:卡環(huán)槽底部淬硬層深1.0mm,相鄰軸頸處淬硬層深2.5mm,如圖7所示。
圖7 第三次試驗(yàn)結(jié)果
經(jīng)過上述三次試驗(yàn),最終保證軸頸與卡環(huán)槽底部止層連續(xù),且相鄰軸頸處止層深符合圖樣技術(shù)要求。按照第三次試驗(yàn)方案,再生產(chǎn)5件該零件,肉眼觀察卡環(huán)槽兩端尖角處溫度無異常,淬火后檢查尖角兩端并無燒蝕等現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí),經(jīng)磁粉探傷,無裂紋。
截止目前按照第三次試驗(yàn)方案,分兩次共生產(chǎn)了該零件200余件,無異常情況發(fā)生。
五、結(jié)束語
(1)主動(dòng)軸卡環(huán)槽底部無淬硬層深是導(dǎo)致該零件失效的主要原因。
(2)對于感應(yīng)淬火區(qū)域中有卡環(huán)槽、臺階等結(jié)構(gòu)的零件,淬火區(qū)域必須連續(xù),使其表面處于壓應(yīng)力狀態(tài),能夠抵消因結(jié)構(gòu)缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中,提高零件的疲勞極限。
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