12Cr2Ni4A滑油附件主動(dòng)軸螺紋根部裂紋分析

謝 善，全瓊?cè)?，?菁

(中國(guó)航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 計(jì)量理化檢測(cè)中心，成都 610500)

0 引言

12Cr2Ni4A鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、淬透性良好的優(yōu)點(diǎn)，冷變形時(shí)塑性好、氰化處理后表面層硬度及耐磨性比較高，廣泛應(yīng)用于受負(fù)荷較高、截面積較大且要求韌性良好的重要零件，如各種活塞銷、花鍵、重要螺栓和齒輪等[1-5]。

滑油附件主動(dòng)軸工作時(shí)，需要連續(xù)不斷地將清潔滑油輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)件的軸承和傳動(dòng)齒輪的嚙合處進(jìn)行潤(rùn)滑，減少機(jī)件磨損，帶走摩擦產(chǎn)生的熱量和臟物，一旦滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常工作，會(huì)影響機(jī)件的潤(rùn)滑和散熱，甚至引起軸承等零件的損壞而造成嚴(yán)重事故[6]。

基于此，針對(duì)12Cr2Ni4A滑油附件主動(dòng)軸軸頭螺紋根部故障案例進(jìn)行裂紋斷口宏、微觀形貌觀察、金相組織及硬度檢查，探討裂紋產(chǎn)生位置的幾何形狀及裝配過(guò)程中的應(yīng)力情況，研究螺紋根部產(chǎn)生裂紋的主要原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)結(jié)果

航空發(fā)動(dòng)機(jī)12Cr2Ni4A 滑油附件主動(dòng)軸在工作期滿后返廠大修，熒光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)同批次多達(dá)16件在軸頭螺紋根部有裂紋產(chǎn)生，見(jiàn)圖1圓圈所示位置。

該主動(dòng)軸的主要加工工序?yàn)椋喊袅?退火)→車加工→銑套齒→氰化→磨螺紋。磨螺紋過(guò)程中只加工去除掉螺紋部位的氰化層，螺紋根部一周、U形止動(dòng)槽底部及側(cè)壁的氰化層被保留。零件在裝配時(shí)，將止動(dòng)墊圈(材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼)的內(nèi)圈鎖片向上彎曲套在螺紋根部處，然后將螺母(材料為38CrA)擰緊，再將止動(dòng)墊圈的外圈鎖片向上彎曲鎖緊螺母。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，套齒部位起傳動(dòng)作用，而軸體在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺紋部位不受工作傳動(dòng)力，圖2為止動(dòng)墊圈俯視圖，圖3為實(shí)物裝配示意圖。

圖1 軸頭宏觀形貌及裂紋位置Fig.1 Macro appearance and crack position of the shaft head

圖2 止動(dòng)墊圈俯視圖Fig.2 Vertical view of the lock gasket

1.1 宏觀觀察

在體視鏡下觀察裂紋區(qū)域：在螺紋和套齒交接處的根部有多條平行的裂紋，裂紋在根部氰化表面呈直線狀擴(kuò)展，在各級(jí)螺紋齒底也存在相同方向的細(xì)裂紋，但根部靠近止動(dòng)槽處裂紋最長(zhǎng)，該長(zhǎng)裂紋處于螺紋根部表面(氰化)、螺紋表面(加工后無(wú)氰化)以及止動(dòng)槽側(cè)面(氰化)三面轉(zhuǎn)接處，該區(qū)域與軸槽轉(zhuǎn)接處呈90°，尖銳，無(wú)倒圓；同時(shí)螺紋根部與止動(dòng)槽U形側(cè)面相交的位置擠壓變形明顯，變形特征距套齒端面距離約0.8 mm，這與止動(dòng)墊圈厚度基本吻合；止動(dòng)墊圈內(nèi)鎖片寬度2.5 mm，而止動(dòng)U型槽上部寬度3.0 mm，在與螺紋根部相交的區(qū)域則小于2.5 mm(圖4、圖5)。

圖3 主動(dòng)軸軸頭裝配示意圖Fig.3 A general view of the head assembly of the drive shaft

圖4 擠壓變形所在的根部區(qū)域產(chǎn)生裂紋Fig.4 Crack is produced in the root area of the extrusion deformation

1.2 斷口分析

將主裂紋(螺紋根部與U形止動(dòng)槽相交區(qū)域裂紋)人工打開(kāi)，在掃描電鏡下觀察：裂紋區(qū)域斷面平坦，能明顯區(qū)分裂紋區(qū)和人工打斷區(qū)，斷面可見(jiàn)放射棱線，由棱線可知該裂紋起源于根部表面、螺紋表面以及止動(dòng)槽側(cè)面的三面轉(zhuǎn)接處，裂紋擴(kuò)展深度0.4～0.5 mm，這和設(shè)計(jì)圖規(guī)定的氰化層深度范圍一致(圖6a)。裂紋源區(qū)未見(jiàn)其他缺陷，裂紋斷口呈穿晶沿晶混合斷裂，大部分區(qū)域主要表現(xiàn)為典型的冰糖狀沿晶斷口，呈現(xiàn)出晶間脆性(圖6b、圖6c)，而人工打斷區(qū)域呈現(xiàn)典型的韌窩形貌(圖6d)。

圖5 螺紋根部裂紋宏觀形貌Fig.5 Macro appearance of the crack in the root of the thread

1.3 金相及材質(zhì)分析

沿裂紋區(qū)域止動(dòng)槽側(cè)表面磨制金相試樣，觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋形貌呈鋸齒狀，尾端呈尖銳狀分叉，有明顯二次裂紋，屬應(yīng)力裂紋特征，裂紋附近未見(jiàn)冶金夾雜等其他缺陷(圖7a)；采用飽和苦味酸+烷基苯磺酸鈉溶液(濃度為1.5 g烷基苯磺酸鈉溶于100 mL飽和苦味酸)浸蝕出晶粒度，可見(jiàn)裂紋主要呈沿晶擴(kuò)展，少量穿晶，材料晶粒尺寸不均勻，按GB/T 6394評(píng)定為7～8級(jí)(圖7b)。采用體積分?jǐn)?shù)為0.3%硝酸酒精腐蝕后高倍觀察可見(jiàn)，各級(jí)螺紋齒底和根部過(guò)渡槽均存在裂紋，裂紋具有一定的方向性，從齒底附近斜向上朝軸頭頂端擴(kuò)展，裂紋方向基本與螺母預(yù)緊后對(duì)螺紋底部產(chǎn)生的預(yù)緊力方向垂直(圖8)。對(duì)止動(dòng)槽側(cè)面磨制1.5 mm的去除量，進(jìn)行高倍觀察發(fā)現(xiàn)，螺紋部位底部未見(jiàn)微裂紋，只有氰化的螺紋根部有裂紋存在，去除1.5 mm后螺紋部位無(wú)氰化層，這也說(shuō)明裂紋只在氰化層深度范圍擴(kuò)展(圖9)。

在靠近止動(dòng)槽的套齒部位及螺紋根部裂紋部位分別取樣檢測(cè)氰化零件質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表1、表2；按GJB 1951進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表1～表3結(jié)果分析可知，主動(dòng)軸滲層深度、金相組織、中心硬度和表面硬度均符合HB 5492、HB 5493及設(shè)計(jì)圖要求，化學(xué)成分符合驗(yàn)收要求。

圖6 斷口微觀形貌Fig.6 Fracture micromorphology

圖7 裂紋形貌Fig.7 Micro characteristics of crack

圖8 裂紋在氰化層深度范圍內(nèi)擴(kuò)展Fig.8 Crackpropagationinthedepthrangeofcyanidelayer圖9 止動(dòng)槽側(cè)面去除1.5mm螺紋形貌Fig.9 Threadstructuresafterremoving1.5mmonthesideoflockgroove

表1 滲層組織檢測(cè)Table 1 Metallographic examination of cyanide layer

表2 滲層硬度檢測(cè)Table 2 Hardness examination of cyanide layer

2 分析與討論

1)宏微觀組織分析。

通過(guò)斷口分析和金相分析發(fā)現(xiàn)，裂紋均出現(xiàn)在氰化層(0.4～0.5 mm)內(nèi)，裂紋主要沿滲層晶界擴(kuò)展，人工打斷斷口為韌性斷裂，因此可以判斷原奧氏體晶界弱化，材料脆性增大，這說(shuō)明裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展與滲層有很大的關(guān)系。晶界弱化或晶間脆性是導(dǎo)致沿晶分離的根本原因[7]。同時(shí)，12Cr2Ni4A氰化過(guò)程中，滲碳淬火馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，高碳針狀馬氏體會(huì)增加，當(dāng)長(zhǎng)大的馬氏體片遇到原奧氏體晶界時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致該螺紋根部的高應(yīng)力使裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展[8]。當(dāng)螺母擰緊時(shí)，螺紋齒面受到軸向的向上壓應(yīng)力，根部以及底部受到軸向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力作用超過(guò)晶間微裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力值時(shí)，就會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)域形成裂紋源，開(kāi)始迅速擴(kuò)展[9]。

表3 零件中心部位化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 3 Chemical analysis of the central area of parts (mass fraction /%)

2)幾何形狀分析。

根部圓周和止動(dòng)槽轉(zhuǎn)接處屬于磨螺紋表面和滲層表面的轉(zhuǎn)接區(qū)，存在組織應(yīng)力，同時(shí)U型止動(dòng)槽加工時(shí)又未進(jìn)行倒圓，近似于直角轉(zhuǎn)接，當(dāng)軸向預(yù)緊力過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，形成裂紋源區(qū)，同時(shí)螺母預(yù)緊時(shí)產(chǎn)生的擠壓變形成為裂紋產(chǎn)生的主源區(qū)，裂紋擴(kuò)展的方向符合該區(qū)域應(yīng)力釋放方向。零件的幾何形狀設(shè)計(jì)或加工質(zhì)量不當(dāng)(包括熱加工設(shè)計(jì))，均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，造成局部應(yīng)力集中嚴(yán)重，使局部區(qū)域?qū)嶋H抗力大大降低[8]。倒角半徑r顯著影響應(yīng)力集中系數(shù)，增大倒角半徑r，可以有效減緩應(yīng)力集中，提高零件壽命[10]。

3)裝配情況分析。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解，螺母在裝配時(shí)未使用限力扳手，預(yù)緊力靠人為掌握，不同現(xiàn)場(chǎng)人員施加的預(yù)緊力無(wú)法控制。使用普通扳手時(shí)施加預(yù)緊力的大小完全依靠操作者的感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)鎖緊，可靠性很差[11]。用于鎖緊螺母的止動(dòng)墊片內(nèi)鎖片寬度2.5 mm、主動(dòng)軸止動(dòng)槽寬度3.0 mm，但U型止動(dòng)槽底部寬度小于2.5 mm，過(guò)度預(yù)緊后內(nèi)鎖片對(duì)U型槽底部產(chǎn)生較大的向下壓力，產(chǎn)生圖4、圖5所示的擠壓變形特征。外鎖片鎖緊后該區(qū)域處于長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力集中狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)了此處的臨界應(yīng)力值，微裂紋擴(kuò)展成為裂紋源，失穩(wěn)擴(kuò)展。當(dāng)沿滲層擴(kuò)展至基體材料時(shí)，非滲層區(qū)域晶界結(jié)合力較高，該處裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力值增大，所以裂紋繼續(xù)沿臨界應(yīng)力較低的脆性氰化層內(nèi)部擴(kuò)展，圖6a所示的斷面特征形象證明了這點(diǎn)。

發(fā)生故障的16件主動(dòng)軸來(lái)自不同的發(fā)動(dòng)機(jī)而出現(xiàn)同樣的裂紋，該主動(dòng)軸發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中不起傳動(dòng)作用，發(fā)生裂紋的區(qū)域在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中幾乎不受應(yīng)力和磨損，螺紋根部和止動(dòng)槽內(nèi)壁氰化對(duì)零件的使用無(wú)有利因素，反而使該處脆性增大，韌性降低。分析認(rèn)為，U型止動(dòng)槽底部寬度窄而受壓、氰化層的存在、幾何面轉(zhuǎn)接處未倒圓以及螺紋預(yù)緊力過(guò)大均是螺紋根部裂紋產(chǎn)生的主要原因。

3 改進(jìn)措施

1)使用扭矩扳手控制螺母不要過(guò)度預(yù)緊。

2)軸體氰化時(shí)對(duì)螺紋部位(包括圓周根部)進(jìn)行遮蔽，如鍍銅或使用防滲涂料[12]。

3)U型止動(dòng)槽底角可設(shè)計(jì)成直角型以防止和鎖片擠壓；加工后的直角轉(zhuǎn)接處應(yīng)適當(dāng)?shù)箞A，減小應(yīng)力集中傾向。

4 結(jié)論

1)裂紋為過(guò)大螺母預(yù)緊力產(chǎn)生的應(yīng)力裂紋。

2)螺紋部位的加工設(shè)計(jì)不當(dāng)加劇了裂紋的產(chǎn)生，例如螺紋根部存在氰化層會(huì)降低材料的斷裂韌度；止動(dòng)槽與螺紋轉(zhuǎn)接處未倒圓易形成應(yīng)力集中；止動(dòng)槽上部寬底部窄，導(dǎo)致墊圈內(nèi)鎖片擠壓U型槽底部產(chǎn)生擠壓變形。

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