轎車輪轂軸承法蘭盤斷裂失效分析

倪兆榮，楊紹榮，鄭躍剛

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，金華 321007）

0 引 言

轎車輪轂軸承法蘭盤是連接萬(wàn)向節(jié)輸出軸與汽車輪轂的重要零件[1]，因此法蘭盤的質(zhì)量直接關(guān)系到轎車的安全運(yùn)行和可靠性[2]。某廠生產(chǎn)的某型號(hào)轎車輪轂軸承法蘭盤，材料為SAE1070鋼，采用模鍛工藝生產(chǎn)，主要加工工序?yàn)椋涸牧稀鸁徨憽葴赝嘶稹囅骷庸ぁ袘?yīng)淬火→精加工。合格法蘭盤的表面應(yīng)無(wú)裂紋、碰傷、鐵銹、油污、黑皮等缺陷，感應(yīng)淬火后的硬度為60～64HRC，硬化層厚度為2.5～4.0 mm，顯微組織級(jí)別為3～5級(jí)[1]。在精加工過程中，某批次產(chǎn)品在大R角處發(fā)生開裂，見圖1所示，造成零件報(bào)廢，給企業(yè)造成了經(jīng)濟(jì)損失。為了找出法蘭盤斷裂原因，減少損失，對(duì)其斷口形貌、化學(xué)成分、顯微組織等進(jìn)行了分析。

圖1 失效法蘭盤的斷裂部位Fig.1 Fracture position in the failure flange

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 斷口的宏觀和微觀形貌

由圖2可見，失效法蘭盤斷口表面呈灰褐色、無(wú)光澤、晶粒粗大，裂紋源位于零件大R角表層，斷面有收縮，整個(gè)斷面具有宏觀脆性的微孔型斷裂特點(diǎn)[3-4]。用ZEISS EVO18型掃描電鏡對(duì)失效法蘭盤的斷口進(jìn)行觀察。由圖3可見，斷口呈表層宏觀脆性斷裂、心部塑性斷裂的特點(diǎn)，裂紋源位于大R角表層，裂紋沿晶界微孔聚合，沿晶斷裂，斷口呈“萘狀斷口”；裂紋源區(qū)呈漣波、河流花樣及少量微坑混合的準(zhǔn)解理斷裂特征；最后斷裂區(qū)以韌窩為主，孔坑及疊波花樣，屬于微孔型斷裂，是一種塑性變形為主導(dǎo)作用的延性斷裂[4]。微孔型斷裂的特點(diǎn)是微孔形成和連接時(shí)的塑性變形量很小，這是由高強(qiáng)度材料組織特點(diǎn)決定的，而這種組織對(duì)于裂紋的敏感性是非常大的。

圖2 失效法蘭盤斷口的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture of the failure flange

圖3 失效法蘭盤斷口整體及不同區(qū)域的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the entire fracture and in different regions of the failure flange(a) entirety；(b) crack source zone and(c) last break area

1.2 化學(xué)成分

用QSN750型火花直讀光譜儀對(duì)斷口化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示[5]。由表可知，該法蘭盤化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 顯微組織

沿垂直斷口方向切割、制樣，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，用4XB型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析；試樣經(jīng)磨光、拋光后，在拋光態(tài)下用4XB 型光學(xué)顯微鏡觀察斷口上的微裂紋[6]。由圖4可見，在斷口邊緣發(fā)現(xiàn)與斷口平行的多條裂紋，裂紋方向和鍛造流線一致。按照ASTME45—2005標(biāo)準(zhǔn)分析非金屬夾雜物級(jí)別，結(jié)果見表2。從表2可見，失效法蘭盤組織中的非金屬夾雜物符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖5可以看到，失效法蘭盤斷口表層的顯微組織為針狀馬氏體+板條馬氏體，按照J(rèn)B/T9 204—2008標(biāo)準(zhǔn)，表面組織為馬氏體6級(jí)，不符合要求，說明斷口表層出現(xiàn)了過熱甚至過燒的情況；由圖6可見，斷口心部組織為粒狀珠光體+片狀珠光體，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，說明心部組織受斷口表層高溫的影響。由圖7可見，離斷口表層較近的區(qū)域有不少黑色氧化孔洞，在遠(yuǎn)離斷口其它部位則沒有發(fā)現(xiàn)黑色氧化孔洞，說明斷口表層有部分區(qū)域出現(xiàn)了過燒現(xiàn)象。

表1 法蘭盤斷口的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of flange fracture （mass） %

2 斷裂原因分析

綜上試驗(yàn)結(jié)果可知，該轎車輪轂軸承法蘭盤化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從斷口宏觀和微觀形貌分析，斷口表層部分區(qū)域組織經(jīng)過高溫融化，導(dǎo)致晶粒嚴(yán)重圓鈍化以及表層覆蓋著熔融氧化物，心部組織晶粒粗大，推斷組織缺陷形成于中頻感應(yīng)加熱淬火時(shí)；從垂直斷口切割試樣的金相分析可知，多條平行斷口微裂紋與流線方向一致，說明了裂紋源形成和裂紋的擴(kuò)展沿流線方向進(jìn)行；另外黑色氧化孔洞說明該區(qū)域經(jīng)歷了高溫過燒，表層淬火馬氏體組織粗大，說明過熱、過燒發(fā)生在中頻感應(yīng)加熱淬火工序；心部組織為粒狀珠光體+片狀珠光體，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，是因?yàn)樾牟拷M織受到斷口表層高溫的影響。軸向試樣非金屬夾雜物符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求，沒有發(fā)現(xiàn)異常的非金屬夾雜物缺陷，而遠(yuǎn)離斷口部位的試樣上沒有發(fā)現(xiàn)黑色孔洞缺陷，說明缺陷主要集中在法蘭盤大R角區(qū)域，即斷裂源區(qū)。如果是原材料疏松、殘余縮孔等缺陷，往往會(huì)伴隨著嚴(yán)重的夾雜物，而且隨著材料鍛造成型，缺陷會(huì)沿?cái)嗔演S向擴(kuò)展，不會(huì)僅僅局限于某一區(qū)域，因此可以排除斷裂是原材料缺陷所致。

圖4 斷口邊緣的微裂紋Fig.4 The micro cracks in the edge of fracture

圖5 失效法蘭盤斷口表層組織Fig.5 Microstructure of failure flange surface

圖6 失效法蘭盤斷口心部組織Fig.6 Microstructure of the core of the failure flange

圖7 失效法蘭斷口表層過燒部分形貌Fig.7 Surface morphology of burned part in the fracture of the failure flange

表2 非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果Tab.2 The results of non-metallic inclusion assessment

轎車輪轂軸承法蘭盤在精加工過程中發(fā)生開裂的原因是工件在中頻感應(yīng)加熱淬火時(shí)，在大R角處出現(xiàn)尖角效應(yīng)，致使大R角處產(chǎn)生過熱、過燒現(xiàn)象，導(dǎo)致工件的塑形、斷裂韌性等力學(xué)性能明顯下降。在精加工過程中，法蘭盤在高速旋轉(zhuǎn)砂輪的磨削作用下，受到切向力、徑向力和扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力的作用，使大R角處表面形成微小裂紋源[7]。根據(jù)格里菲斯（Griffith）缺口強(qiáng)度理論，微小的裂紋形成后將形成應(yīng)力集中，當(dāng)此處的應(yīng)力達(dá)到理論強(qiáng)度時(shí)，裂紋將迅速擴(kuò)展而斷裂[4]，形成了圖2所示的斷面，斷面與工件軸線垂直，有回旋狀塑性變形痕跡，這是以切應(yīng)力為主作用導(dǎo)致的結(jié)果。

3 結(jié)論與改進(jìn)措施

（1）中頻感應(yīng)加熱淬火工序中，感應(yīng)加熱淬火工藝控制不當(dāng)，在大R角部位出現(xiàn)了過熱、過燒是導(dǎo)致轎車輪轂軸承法蘭盤斷裂的主要原因。

（2）建議嚴(yán)格控制轎車輪轂軸承法蘭盤中頻感應(yīng)加熱淬火工藝，防止過熱和過燒現(xiàn)象發(fā)生。

（3）建議在轎車輪轂軸承法蘭盤設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增大R角，機(jī)加工過程中提高表面質(zhì)量、降低表面粗糙度。

[1]孟國(guó)飛，肖昌源，呂建敏，等.轎車輪轂軸承法蘭盤外圈雙溝道表面超音頻感應(yīng)器設(shè)計(jì)[J].金屬加工，2011（13）：26-27.

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