季獻余，劉松

(1. 南京康尼機電股份有限公司，江蘇 南京 210046；2. 航空工業(yè)南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引言

準(zhǔn)備裝配某傳動軸時發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。該傳動軸的材料為40CrNiMo鋼，其制造工藝為：原材料—調(diào)質(zhì)熱處理—機加成型—局部感應(yīng)淬火—磁力探傷—表面處理(酸洗、發(fā)藍)—打標(biāo)記—入庫。本文從傳動軸的裂紋分布位置和斷口形貌觀察與分析，進行金相組織和硬度的檢測，確定了裂紋的性質(zhì)，并對裂紋產(chǎn)生原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 外觀形貌檢查

庫存的該批傳動軸經(jīng)檢查，裂紋均分布在傳動軸感應(yīng)淬火一端的花鍵齒底部，未進行感應(yīng)淬火端無裂紋存在，嚴(yán)重處裂紋已經(jīng)肉眼可見，見圖1-圖2。

圖1 傳動軸形貌

圖2 裂紋形貌

1.2 斷口形貌檢查

打開傳動軸裂紋，觀察其斷口的形貌。該斷口形貌分為兩個區(qū)域：Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，見圖3。Ⅰ區(qū)為原始裂紋區(qū)，其斷口形貌為沿晶，無腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物存在，見圖4；Ⅱ區(qū)為人工打開斷口區(qū)，其斷口形貌為韌窩，見圖5。

圖3 斷口形貌

圖5 韌窩形貌

1.3 金相檢查

對傳動軸進行金相組織檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳動軸感應(yīng)淬火端已經(jīng)完全淬透，與圖樣技術(shù)要求的感應(yīng)淬火層厚度0.5mm～1.0mm嚴(yán)重不符。傳動軸感應(yīng)淬火端心部組織為細(xì)小馬氏體，見圖6；傳動軸未感應(yīng)淬火端組織為回火索氏體，見圖7。

圖6 感應(yīng)淬火端心部組織

圖7 未感應(yīng)淬火端組織

1.4 硬度測試

對傳動軸進行硬度測試，結(jié)果見表1。硬度測試結(jié)果表明傳動軸感應(yīng)淬火端心部的硬度已經(jīng)嚴(yán)重超出了圖樣的技術(shù)要求。

表1 硬度測試結(jié)果

1.5 材料成分分析

應(yīng)用直讀光譜，對傳動軸質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行分析，結(jié)果見表2。分析結(jié)果符合GB/T 3077-2015對40CrNiMo鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的規(guī)定。

表2 傳動軸的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

2 分析與討論

分析傳動軸理化檢驗結(jié)果和制造工藝可知，裂紋均勻分布在傳動軸感應(yīng)淬火端，但感應(yīng)淬火后進行磁粉探傷并沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，這說明裂紋并不是在感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生的。由于嚴(yán)重的裂紋已經(jīng)肉眼可見，并且有一條正處在打標(biāo)記刻字部位(圖2)，但打標(biāo)記工序并沒有發(fā)現(xiàn)；裂紋是在從庫房領(lǐng)出、準(zhǔn)備裝配的過程中發(fā)現(xiàn)的，這些說明裂紋是在庫存過程中產(chǎn)生的。由以上分析可以確定傳動軸上的裂紋性質(zhì)應(yīng)為延遲裂紋[1]。延遲開裂是在靜應(yīng)力下，材料經(jīng)過一段時間后突然脆性破壞的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是材料—環(huán)境—應(yīng)力相互作用而發(fā)生的一種環(huán)境脆化，應(yīng)力腐蝕、氫脆均屬于這類斷裂性質(zhì)。斷口檢查可知，原始裂紋區(qū)斷口為沿晶形貌，且無腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物存在；人工打開斷口區(qū)為韌窩形貌。通過該斷口形貌特征不僅可以更加確定裂紋性質(zhì)為延遲裂紋，而且還可以進一步判斷出該裂紋為氫脆裂紋[2-6]。

氫脆是由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的損傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力持續(xù)作用下導(dǎo)致的破斷失效。因此應(yīng)從氫的來源、材料的氫脆敏感性和應(yīng)力情況三方面來分析氫脆產(chǎn)生原因，并確定致使傳動軸氫脆裂紋產(chǎn)生的主要因素。

傳動軸制造過程進行過發(fā)藍處理，酸洗是發(fā)藍處理的前處理工序，目的是除銹，為發(fā)藍處理做準(zhǔn)備，也就是酸洗過程產(chǎn)生的氫成為傳動軸氫脆裂紋產(chǎn)生的氫來源。同樣的酸洗過程，形狀相同，傳動軸兩端氫的滲入量也應(yīng)相近，但該批傳動軸的裂紋均分布在其感應(yīng)淬火一端，而未感應(yīng)淬火一端并沒有裂紋存在，這些說明該批傳動軸酸洗過程中氫的滲入量并不是致使傳動軸氫脆裂紋產(chǎn)生的主要原因。

金屬材料的氫脆敏感性隨其強度、硬度的升高而增加。文獻[7]介紹，一般鋼中的含氫量在(5～10)mg/kg以上就會產(chǎn)生氫脆裂紋，但對高強度鋼、即使鋼中的含氫量<1mg/kg也可能發(fā)生氫脆。另外鋼的顯微組織對其氫脆敏感性也有影響，奧氏體、珠光體、索氏體、貝氏體、馬氏體，氫脆敏感性依次增大[8]。從金相和硬度測試結(jié)果可知，傳動軸感應(yīng)淬火端心部已經(jīng)淬透，組織為馬氏體，硬度明顯比圖樣技術(shù)要求高。這些都說明傳動軸感應(yīng)淬火端由于感應(yīng)淬火工藝或操作不當(dāng)，致使該端氫脆敏感性增大；同時也很好地解釋了在相同的氫滲入量情況下，氫脆裂紋均分布在傳動軸感應(yīng)淬火一端的原因。由于氫并不是均勻分布在金屬內(nèi)部，而是受應(yīng)力梯度的影響，向高應(yīng)力區(qū)擴散[9]。在應(yīng)力集中的區(qū)域，氫與局部應(yīng)力場交互作用，在此處形成氫的局部高濃度偏聚而發(fā)生氫脆開裂。傳動軸裂紋分布在其感應(yīng)淬火一端的花鍵齒底部，就是因為花鍵齒底部位置殘余應(yīng)力較高，應(yīng)力較為集中。

通過上面的分析可以確定，傳動軸的裂紋性質(zhì)為氫脆裂紋；因感應(yīng)淬火工藝或操作不當(dāng)，使該端心部淬透(正常情況下花鍵齒的底部位置應(yīng)無感應(yīng)淬火層，花鍵齒的頂部位置要求有0.5mm～1.0mm的感應(yīng)淬火層)，導(dǎo)致氫脆敏感性增大是其氫脆裂紋產(chǎn)生的主要原因。后來制造的傳動軸優(yōu)化了感應(yīng)淬火的工藝，增加了對感應(yīng)淬火層深度的控制和檢測，規(guī)范了酸洗和除氫操作，就再也沒有產(chǎn)生過氫脆裂紋。

3 結(jié)語

1)傳動軸的裂紋性質(zhì)為氫脆裂紋；

2)感應(yīng)淬火工藝不當(dāng)，致使該端心部淬透，硬度增高，氫脆敏感性增大是其氫脆裂紋產(chǎn)生的主要原因；

3)建議傳動軸從庫房領(lǐng)出準(zhǔn)備裝配前，再次對其進行磁粉探傷，確保傳動軸無裂紋缺陷；

4)建議優(yōu)化傳動軸感應(yīng)淬火的工藝，增加對感應(yīng)淬火層深度的控制和檢測。