汽車前驅動軸斷裂失效原因分析

唐家耘，陳 耘，趙 潔，劉曉彬，朱宇瑾，王超倫

(中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103)

0 引言

汽車行業(yè)已成為我國經濟的重要支柱行業(yè)，國內汽車生產企業(yè)設計和生產能力的提升，促進了自主品牌的發(fā)展。但某些技術，特別是動力技術，較發(fā)達國家落后10年之多。其中驅動軸是汽車驅動系統(tǒng)中的重要裝置，在動力傳輸中起到至關重要的作用。傳動軸機件的損壞、磨損、變形以及失去動平衡，都會造成汽車在行駛中產生異響和振動，嚴重時會導致相關部件的損壞［1］。同時，驅動軸在工作中承受較高的扭轉、彎曲以及沖擊性載荷，易產生扭轉和彎曲變形甚至產生裂紋或發(fā)生斷裂。驅動軸一旦發(fā)生斷裂，將使汽車失去動力，甚至發(fā)生災難性后果。

汽車驅動軸材質為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。該驅動軸裝配過程中發(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。為查明驅動軸斷裂的原因，本研究通過對驅動軸斷口宏微觀觀察、硬度測定、非金屬夾雜物檢驗、淬火層深度檢驗、顯微金相組織檢驗等，分析其斷裂原因，對避免類似原因造成軸斷裂具有一定的借鑒意義。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀斷口分析

斷裂驅動軸宏觀形貌見圖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)射掃描電鏡對斷口進行微觀觀察，觀察結果與宏觀斷口一致，從表面至中心具有不同的斷口特征:驅動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)具有沿晶斷裂和準解理斷裂的混合特征(圖2b)，心部基本為準解理斷裂(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

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，淬火層加過渡區(qū)厚度幾乎達到了軸的半徑(圖3)。

1.4 微觀組織檢驗

斷裂處試樣經磨拋后制成標準金相試樣，采用LEICA MEF4 金相顯微鏡進行組織檢驗。

在拋光態(tài)下，對試樣進行非金屬夾雜評級，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法》評定非金屬夾雜物級別為D1.5 級(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》評定晶粒度為8 級(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4%(質量分數(shù))硝酸酒精溶液浸蝕后對其進行顯微組織檢驗(圖6):表面淬硬層顯微組織為馬氏體，根據(jù)JB/T 9204—1999《鋼件感應淬火金相檢驗》評定顯微組織級別為4 級;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《鋼的顯微組織評定方法》評定帶狀偏析級別為5 級。

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《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度測定》中硬度法進行淬硬層深度測試，以HV0.3550作為其極限硬度值，測量有效硬化層深度。測試結果見圖9b，由圖可知:測試部位1 的淬火層深度達到了7.3 mm，淬硬層硬度波動較大;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結果表明，試樣顯微組織符合中頻淬火3～7 級要求。而在斷裂面附近發(fā)現(xiàn)零件的淬火層深度為7.3 mm，遠遠超過了規(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，會引入殘余應力。尺寸較小的軸經過表面淬火后，殘余應力以組織應力為主［3］。表面因馬氏體相變發(fā)生膨脹，而心部沒有任何變化，導致表層受到壓應力而心部受到拉應力。這種組織應力與淬火層的深度和硬度分布、工件尺寸等許多因素有關，其中淬火層深度對殘余應力的分布有顯著影響。對于中小尺寸的鋼件來說，當淬火層總深度為工件半徑的10%～20%時，其殘余應力的分布最有利［4］。而在實際使用過程中，零件往往受力復雜，對于每一種尺寸都有一個合理的硬化層深度。一般軸類有效硬化層深度約為零件直徑的5%時，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，達到了27%，使得該區(qū)域殘余應力過大，導致該汽車前驅動軸在裝配調試過程中發(fā)生斷裂。

圖9 顯微硬度測試Fig.9 Hardness test

由感應加熱原理［7］可知，淬火層深度與感應裝置設置、原始組織、加熱時間、加熱頻率和功率密度有關。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，相應的Ac3溫度不同。從實際的生產過程來看，只是生產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計應該是合理的。經現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，某一感應線圈與工件表面距離設置過短，導致局部區(qū)域淬火層深度過深。

同時，在組織檢驗中發(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外溫度差而出現(xiàn)結晶、相變的不同時，以及因S、P 等雜質導致成份偏析并在熱軋成形時沿加工方向拉長而形成的帶狀組織［8-9］。帶狀組織會使得奧氏體成分不均勻，加劇中頻淬火時組織轉變不同時，增加組織應力，增大零件開裂的傾向［10］。因此，建議廠家加強原材料的組織檢驗。

3 結論

1)汽車驅動軸在表面中頻淬火過程中，由于感應線圈設置不當，導致局部區(qū)域淬火層深度過深，組織應力過大，是其發(fā)生斷裂的主要原因。

2)零件中存在帶狀偏析，對中頻淬火也會產生不良影響。

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

［2］何文武，郭會光，劉建生.鍛造裂紋的分析與防治［J］.鍛壓技術，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:機械工業(yè)出版社，1997:124-127.

［5］徐守權.軸類零件對高頻感應淬火硬化層的要求［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.感應加熱原理與應用［M］.天津:天津科技翻譯出版公司，1993:113-127.

［8］劉潤生.原始帶狀組織對感應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)動機皮帶輪表面缺陷原因分析［J］.兵器材料科學與工程，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.