唐家耘，陳 耘，趙 潔，劉曉彬，朱宇瑾，王超倫

(中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103)

0 引言

汽車行業(yè)已成為我國經(jīng)濟(jì)的重要支柱行業(yè)，國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的提升，促進(jìn)了自主品牌的發(fā)展。但某些技術(shù)，特別是動(dòng)力技術(shù)，較發(fā)達(dá)國家落后10年之多。其中驅(qū)動(dòng)軸是汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的重要裝置，在動(dòng)力傳輸中起到至關(guān)重要的作用。傳動(dòng)軸機(jī)件的損壞、磨損、變形以及失去動(dòng)平衡，都會(huì)造成汽車在行駛中產(chǎn)生異響和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致相關(guān)部件的損壞［1］。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸在工作中承受較高的扭轉(zhuǎn)、彎曲以及沖擊性載荷，易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形甚至產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂。驅(qū)動(dòng)軸一旦發(fā)生斷裂，將使汽車失去動(dòng)力，甚至發(fā)生災(zāi)難性后果。

汽車驅(qū)動(dòng)軸材質(zhì)為55 鋼，主要工藝為:下料→熱鍛→正火→粗、精加工→拖齒加工花鍵→中頻淬火加回火。該驅(qū)動(dòng)軸裝配過程中發(fā)生斷裂，斷裂處軸的直徑為φ27 mm，要求有效硬化層深度為1.8～4.0 mm，表面硬度HRC 58～62。為查明驅(qū)動(dòng)軸斷裂的原因，本研究通過對(duì)驅(qū)動(dòng)軸斷口宏微觀觀察、硬度測定、非金屬夾雜物檢驗(yàn)、淬火層深度檢驗(yàn)、顯微金相組織檢驗(yàn)等，分析其斷裂原因，對(duì)避免類似原因造成軸斷裂具有一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀斷口分析

斷裂驅(qū)動(dòng)軸宏觀形貌見圖1，斷裂部位接近花鍵尾部(圖1b)。斷口形貌(圖1c)特征與表面缺口下的拉伸斷裂特征接近，中心纖維區(qū)域很小，外部精細(xì)的平坦斷口區(qū)較大，中部為放射區(qū)。

1.2 微觀斷口分析

采用Quanta FEG250 型場發(fā)射掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察，觀察結(jié)果與宏觀斷口一致，從表面至中心具有不同的斷口特征:驅(qū)動(dòng)軸表面淬硬層斷口具有典型的沿晶特征(圖2a)，中間過渡區(qū)具有沿晶斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的混合特征(圖2b)，心部基本為準(zhǔn)解理斷裂(圖2c)。

圖2 斷口不同部位形貌特征Fig.2 Morphology of different fracture region

1.3 宏觀組織檢驗(yàn)

在斷裂處附近取金相試樣，檢測其宏觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)零件淬火層厚度不均勻，在斷裂面一側(cè)，淬火層加過渡區(qū)厚度幾乎達(dá)到了軸的半徑(圖3)。

1.4 微觀組織檢驗(yàn)

斷裂處試樣經(jīng)磨拋后制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，采用LEICA MEF4 金相顯微鏡進(jìn)行組織檢驗(yàn)。

在拋光態(tài)下，對(duì)試樣進(jìn)行非金屬夾雜評(píng)級(jí)，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法》評(píng)定非金屬夾雜物級(jí)別為D1.5 級(jí)(圖4)。用飽和苦味酸侵蝕后，觀察表面淬硬層晶粒，根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》評(píng)定晶粒度為8 級(jí)(圖5)。

圖3 試樣宏觀形貌Fig.3 Macro-morphology of test sample

圖4 非金屬夾雜物Fig.4 Non-metallic inclusion

圖5 表面淬硬層晶粒度Fig.5 Grain size of surface hardened layer

試樣經(jīng)4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后對(duì)其進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)(圖6):表面淬硬層顯微組織為馬氏體，根據(jù)JB/T 9204—1999《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》評(píng)定顯微組織級(jí)別為4 級(jí);過渡區(qū)顯微組織為馬氏體+屈氏體;心部顯微組織為珠光體+塊狀及網(wǎng)狀鐵素體。

斷裂面組織與基體組織無差異，未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象(圖7)。零件中存在帶狀偏析(圖8)，偏析組織構(gòu)成貫穿視場的不均勻交替帶，參照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》評(píng)定帶狀偏析級(jí)別為5 級(jí)。

圖6 顯微組織Fig.6 Microstructure

圖7 斷口處顯微組織Fig.7 Microstructure near the fracture

圖8 0.5R 處帶狀組織Fig.8 Banded structure at the 0.5R position

1.5 淬硬層深度測試

在試樣不同位置(圖9a)參照GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度測定》中硬度法進(jìn)行淬硬層深度測試，以HV0.3550作為其極限硬度值，測量有效硬化層深度。測試結(jié)果見圖9b，由圖可知:測試部位1 的淬火層深度達(dá)到了7.3 mm，淬硬層硬度波動(dòng)較大;測試部位2 的淬火層深度為3.9 mm。

2 分析與討論

試樣斷裂面未出現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象，這說明斷裂發(fā)生在鍛造正火之后［2］。零件斷裂處金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，試樣顯微組織符合中頻淬火3～7 級(jí)要求。而在斷裂面附近發(fā)現(xiàn)零件的淬火層深度為7.3 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)定的最高4.0 mm 的上限。

淬火處理過程由于有馬氏體變化，會(huì)引入殘余應(yīng)力。尺寸較小的軸經(jīng)過表面淬火后，殘余應(yīng)力以組織應(yīng)力為主［3］。表面因馬氏體相變發(fā)生膨脹，而心部沒有任何變化，導(dǎo)致表層受到壓應(yīng)力而心部受到拉應(yīng)力。這種組織應(yīng)力與淬火層的深度和硬度分布、工件尺寸等許多因素有關(guān)，其中淬火層深度對(duì)殘余應(yīng)力的分布有顯著影響。對(duì)于中小尺寸的鋼件來說，當(dāng)淬火層總深度為工件半徑的10%～20%時(shí)，其殘余應(yīng)力的分布最有利［4］。而在實(shí)際使用過程中，零件往往受力復(fù)雜，對(duì)于每一種尺寸都有一個(gè)合理的硬化層深度。一般軸類有效硬化層深度約為零件直徑的5%時(shí)，可得到最佳的綜合性能［5-6］。該零件斷裂處淬火深度為7.3 mm，達(dá)到了27%，使得該區(qū)域殘余應(yīng)力過大，導(dǎo)致該汽車前驅(qū)動(dòng)軸在裝配調(diào)試過程中發(fā)生斷裂。

圖9 顯微硬度測試Fig.9 Hardness test

由感應(yīng)加熱原理［7］可知，淬火層深度與感應(yīng)裝置設(shè)置、原始組織、加熱時(shí)間、加熱頻率和功率密度有關(guān)。淺層淬火需要高頻率和高功率密度，深層淬火需要低頻率和低功率密度;組織不同，相應(yīng)的Ac3溫度不同。從實(shí)際的生產(chǎn)過程來看，只是生產(chǎn)過程中的某一些軸出現(xiàn)了問題，因此可以推斷該表面淬火工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)該是合理的。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，某一感應(yīng)線圈與工件表面距離設(shè)置過短，導(dǎo)致局部區(qū)域淬火層深度過深。

同時(shí)，在組織檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該軸有明顯的帶狀組織。軸類零件的帶狀偏析是由于使鋼材在冶煉后的鑄錠冷凝過程中因內(nèi)外溫度差而出現(xiàn)結(jié)晶、相變的不同時(shí)，以及因S、P 等雜質(zhì)導(dǎo)致成份偏析并在熱軋成形時(shí)沿加工方向拉長而形成的帶狀組織［8-9］。帶狀組織會(huì)使得奧氏體成分不均勻，加劇中頻淬火時(shí)組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)，增加組織應(yīng)力，增大零件開裂的傾向［10］。因此，建議廠家加強(qiáng)原材料的組織檢驗(yàn)。

3 結(jié)論

1)汽車驅(qū)動(dòng)軸在表面中頻淬火過程中，由于感應(yīng)線圈設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致局部區(qū)域淬火層深度過深，組織應(yīng)力過大，是其發(fā)生斷裂的主要原因。

2)零件中存在帶狀偏析，對(duì)中頻淬火也會(huì)產(chǎn)生不良影響。

［1］王昌凱，葛寧，蘇洪池，等.前軸疲勞斷裂分析［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2010(4):53.

［2］何文武，郭會(huì)光，劉建生.鍛造裂紋的分析與防治［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35(1):16-19.

［3］孫盛玉，戴雅康.熱處理裂紋分析圖譜［M］.大連:大連出版社，2002:5-9.

［4］王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997:124-127.

［5］徐守權(quán).軸類零件對(duì)高頻感應(yīng)淬火硬化層的要求［J］.金屬熱處理，1996(3):29-31.

［6］袁玉明，徐以軍，楊建威.軸類零件表面淬硬層深度的確定［J］.山東冶金，2003，25(4):53-54.

［7］姜土林，趙長漢.感應(yīng)加熱原理與應(yīng)用［M］.天津:天津科技翻譯出版公司，1993:113-127.

［8］劉潤生.原始帶狀組織對(duì)感應(yīng)淬火硬化層深度檢測的影響［J］.熱處理，2010，25(3):65-67.

［9］陳耘，段莉萍，元濤，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪表面缺陷原因分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2011，34(3):29-31.

［10］解平扣.20CrMoH 鋼鍛件帶狀組織的消除及其硬度控制［J］.熱處理，2006，21(2):64-65.