動(dòng)力箱傳動(dòng)軸失效分析

平德純，張 剛，劉 毅，李 俊

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

傳動(dòng)軸是傳遞扭矩的關(guān)鍵元件，動(dòng)力箱通過傳動(dòng)軸將扭矩傳遞至工作裝置，實(shí)現(xiàn)鉆削施工。某新品在做工業(yè)性考核時(shí)，動(dòng)力箱傳動(dòng)軸發(fā)生了斷裂，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)斷裂的傳動(dòng)軸

1 斷裂件檢測(cè)及故障原因分析

1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

傳動(dòng)軸材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度280～320HBW。表面整體氮化處理，滲氮層0.20～0.25mm，表面硬度550～650HV。綜合性能及顯微組織符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 斷面宏觀分析

斷面宏觀照片如圖2a-g所示，

斷面大部分為45°的錐面，外表面起裂點(diǎn)均產(chǎn)生在螺紋根部，內(nèi)壁起裂點(diǎn)均產(chǎn)生在較深的加工刀痕處。斷面形成過程為：傳動(dòng)軸在扭力作用下，先從A區(qū)內(nèi)壁刀痕處與外壁的螺紋根部起裂，以最大切應(yīng)力方向向內(nèi)擴(kuò)展，斷面與軸向垂直，擴(kuò)展的深度不超過1.2mm，在扭力增大后，以最大正應(yīng)力方向擴(kuò)展〔1〕，斷面與軸向呈45°，如圖2b、e所示。內(nèi)外裂紋沒有完全重合，剩余壁厚約1/4后沿扭轉(zhuǎn)力方向裂紋快速擴(kuò)展，形成B區(qū)，如圖2c所示。實(shí)際上C區(qū)與B區(qū)都是裂紋從A區(qū)向二側(cè)擴(kuò)展形成的，各區(qū)可看到明顯的快速斷裂的粗大人字紋放射線。因不在一個(gè)臺(tái)階上，所以當(dāng)B區(qū)與C區(qū)匯合時(shí)不在一個(gè)平面上，正好相差了一個(gè)螺紋的高度，最后撕裂在一個(gè)臺(tái)階上形成了D區(qū)。

A、B區(qū)的斷面與軸向呈45°，C區(qū)斷面與軸向基本垂直，所以整個(gè)斷口上的斷面為多個(gè)且有高度差。斷面的形貌也有差別，內(nèi)壁與外壁的裂紋源處為結(jié)晶狀，可看到金屬光澤的小晶粒，A區(qū)從外向內(nèi)擴(kuò)展的為細(xì)纖維狀，如圖2f所示，其它區(qū)域?yàn)榇执蟮娜俗旨y放射線。因不是一次性的斷口，斷裂形式為疲勞斷裂，根據(jù)傳動(dòng)軸的受力情況可初步確定為高應(yīng)力低周扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂〔2〕。

1.3 顯微分析

在A區(qū)、B區(qū)分別取樣，沿試樣縱截面觀察其顯微組織。按常規(guī)制樣方法制樣，經(jīng)腐蝕后試樣表面出現(xiàn)明顯的黑白條帶，心部顯微組織可看到偏析、疏松和樹枝晶等不均勻的組織分布現(xiàn)象，心部組織為魏氏組織［3］（淺色區(qū)）+索氏體（深色 區(qū)），如圖3所示。

圖2 傳動(dòng)軸斷面宏觀照片

圖3 試樣顯微組織形貌圖

將試樣進(jìn)行奧氏體晶粒度的顯示實(shí)驗(yàn)及晶粒度測(cè)量，顯微組織如圖4所示。依據(jù)GB/T 6394-2002 《金屬平均晶粒度測(cè)定法》，按定量金相原理進(jìn)行晶粒度測(cè)量。由于晶粒大小非常不均勻，圖4a所示晶粒較大者2～3級(jí)，圖4b所示晶粒較小者7～8級(jí)，所占比例很少，奧氏體晶粒的等軸性很差，說明調(diào)質(zhì)前的材料鍛打不充分，鍛后正火不充分〔4〕。

另外，從試樣的表層組織可以看到，零件表面的滲氮層組織分布不均勻，有些區(qū)域白亮層已脫落。如圖5a所示，表面滲氮層組織為含氮馬氏體+鐵素體，有脈狀分布的氮化物。如圖5b所示，部分區(qū)域有白亮層〔5〕但不均勻、不連續(xù)，金相法測(cè)量滲氮層深度約為0.369～0.395mm。白亮層厚度不均勻在5～50μm。

圖4 奧氏體晶粒度組織形貌

圖5 滲氮層不同區(qū)域的形貌

1.4 硬度試驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度（HBW）測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 試樣硬度測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看到硬度分布不均勻，根據(jù)技術(shù)要求內(nèi)部硬度280～320HBW，測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。

1.5 結(jié)論

傳動(dòng)軸的斷裂類型為高應(yīng)力低周扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，裂紋源分布在傳動(dòng)軸螺紋根部及內(nèi)壁刀痕應(yīng)力集中處，鍛造工藝、熱處理工藝控制不當(dāng)，材料的強(qiáng)韌性差均促使裂紋快速擴(kuò)展導(dǎo)致零件斷裂。

2 改進(jìn)措施及效果

2.1 鍛造與鍛后正火處理

鍛錘規(guī)格由3t改為5t，鍛造比由1.8改為4.2，使鍛件得到充分鍛造，消除鍛件內(nèi)部疏松。

鍛后正火溫度由890℃～920℃改為850℃～880℃，嚴(yán)格控制保溫時(shí)間，使擴(kuò)散均勻化處理充分。鍛造和鍛后正火工藝改進(jìn)后的組織形貌如圖6所示。

圖6 鍛造和鍛后正火工藝改進(jìn)后的組織形貌

對(duì)送檢試樣進(jìn)行晶粒度檢測(cè)，經(jīng)過金相分析顯示，經(jīng)過鍛造和鍛后正火工藝改進(jìn)后，金相組織均勻。晶粒度顯微圖片如圖7所示，晶粒度等級(jí)提高至7.5～9級(jí)，見表2，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 規(guī)范調(diào)質(zhì)處理和滲氮工藝，精加工提高表面粗糙度等級(jí)

鍛造正火后，粗加工單邊留量2～3mm，然后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到如圖8所示均勻的回火索氏體組織。再精車螺紋及鉆鉸內(nèi)孔，提高加工表面光潔度，滲氮后未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。

圖7 鍛造和鍛后正火工藝改進(jìn)后的晶粒度顯微圖片

表2 鍛造和鍛后正火工藝改進(jìn)后的晶粒度分析結(jié)果

圖8 均勻的回火索氏體組織

3 結(jié)束語

綜上所述，針對(duì)傳動(dòng)軸的斷裂問題，通過多方位深入的分析研究，從傳動(dòng)軸的鍛造、熱處理以及機(jī)加工精度等方面采取了一系列改進(jìn)措施，嚴(yán)格制造工藝，確保得到所需要的組織結(jié)構(gòu)和晶粒度要求及加工精度要求。改進(jìn)后的傳動(dòng)軸在施工過程中經(jīng)受住3年的施工考驗(yàn)，沒有斷軸質(zhì)量反饋，可靠性能夠得到保證。

［1］ 戴耀，劉?，F(xiàn)，等. 用最大正應(yīng)力法則確定層狀復(fù)合材料中疲勞裂紋的擴(kuò)展方向［J］. 兵工學(xué)報(bào)，2000，21：55-58.

［2］ 曹仕平. S D D8型機(jī)車用牽引主動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)［J］. 內(nèi)燃機(jī)車，2009（1）：9-13.

［3］ 朱天壽，胡興民，等. 魏氏組織對(duì)20碳鋼H2S應(yīng)力腐蝕開裂性能的影響［J］. 天然氣工業(yè)，2006，26（9）：122-124.

［4］ 盧小鵬. 改善40CrNiMo鋼鍛件晶粒度的預(yù)處理工藝［J］. 機(jī)械工程材料，1991（2）：54-56.

［5］ 顧文桂，周天健. 38CrMoAlA滲氮白亮層的電鏡觀察［J］. 金屬熱處理學(xué)報(bào)，1989，10（2）：12-19.