GCr15鋼行星輪軸的開(kāi)裂失效分析

■ 牟懷飛，楊瑞，馮凱強(qiáng)

GCr15鋼制行星輪軸在使用過(guò)程中以及精磨過(guò)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→鍛造成形→機(jī)械加工→淬火、回火→機(jī)加精磨外圓→成品→清洗→防銹。熱處理要求硬度60～66HRC。淬火加熱所用設(shè)備為井式淬火爐，型號(hào)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），淬火冷卻介質(zhì)為L(zhǎng)-AN46全損耗系統(tǒng)用油。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(hào)為RJJ36-6，回火溫度為180℃，回火保溫時(shí)間120min。在裝配及精磨外圓過(guò)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。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，位于工件表面沿周向分布。

（2）無(wú)損檢測(cè) 對(duì)失效的行星輪軸以及成品庫(kù)房待用零件進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)工件表面存在不同程度的裂紋，如圖3所示。圖3a裂紋呈龜甲狀，圖3b裂紋方向沿周向平行擴(kuò)展，且垂直于磨削方向。

圖1 行星輪軸示意

圖2 失效的行星輪軸宏觀斷口

（3）硬度分析 對(duì)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(cè)試點(diǎn)，對(duì)零件不同位置進(jìn)行硬度分析，結(jié)果如表1所示。

表1結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)過(guò)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(shuō)明零件已淬透。

（4）化學(xué)成分分析 對(duì)行星輪軸的化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2，其化學(xué)成分符合GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的要求。

（5）夾雜檢測(cè) 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(cè)。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。

（6）金相組織觀察 表層裂紋及形貌：在對(duì)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(zhǎng)度在0.15～0.20mm之間，裂紋垂直于表面向內(nèi)延伸（見(jiàn)圖5）。裂紋末端尖銳，沿晶界擴(kuò)展，且裂紋兩側(cè)無(wú)氧化、無(wú)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(shuō)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，圖6中組織為細(xì)針狀馬氏體、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粗大，說(shuō)明在熱處理過(guò)程中有過(guò)熱的傾向。

圖3 行星輪軸表面的裂紋

圖4 零件不同部位硬度分布

圖5 失效零件的表層裂紋

表1 零件不同位置的硬度值

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

表3 行星輪軸非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果

對(duì)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。由酸洗后的表面情況（見(jiàn)圖7）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行狀分布。

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(shuō)明，零件表面的裂紋多起源工件表面，且裂紋兩側(cè)無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明這些表面裂紋產(chǎn)生于淬火冷卻時(shí)或冷卻后。該批行星輪軸均為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體積的差異以及奧氏體、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(guò)熱傾向，淬火時(shí)勢(shì)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，且馬氏體比體積大于奧氏體，因此增大了零件表面的拉應(yīng)力，促使表層的張開(kāi)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?jī)?nèi)應(yīng)力（由淬火應(yīng)力和磨削力共同決定）超過(guò)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(huì)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(wú)損檢測(cè)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(guò)程中，由于磨削應(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(lái)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(kāi)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)致零件的磨削開(kāi)裂。

3. 總結(jié)

（1）該批GCr15鋼制行星輪軸的開(kāi)裂失效雖然發(fā)現(xiàn)于磨削工序，但磨削并不是零件開(kāi)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(guò)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(zhǎng)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

采取以下改進(jìn)措施，消除GCr15鋼行星輪軸的開(kāi)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)。控制球化退火及鍛造工序，保證淬火前的組織正常。

（2）提高淬火前零件的表面粗糙度，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(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(guò)退火消應(yīng)力處理。

（3）改變回火工藝，將原回火時(shí)間120min延長(zhǎng)至180min。

圖6 裂紋附近的金相組織

圖7 熱酸蝕后表面裂紋形貌