轉(zhuǎn)向節(jié)早期斷裂原因分析

汪秀秀，馮繼軍，盧柳林，劉 勝，張?chǎng)蚊?，孫曉芬

(東風(fēng)商用車(chē)有限公司 技術(shù)中心工藝研究所，武漢 430056 )

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)又稱(chēng)“羊角”，是聯(lián)接轉(zhuǎn)向橋、懸架系統(tǒng)、車(chē)輪的重要零件，主要功能是承受部分車(chē)體重量和行駛過(guò)程中來(lái)自地面的變化沖擊，同時(shí)還傳遞轉(zhuǎn)向力矩及剎車(chē)制動(dòng)力矩[1]。轉(zhuǎn)向節(jié)幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)常采取鍛造工藝。若轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生斷裂，將導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法正常行駛，甚至引發(fā)嚴(yán)重交通事故。因此，轉(zhuǎn)向節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗沖擊性和疲勞強(qiáng)度有非常嚴(yán)格的要求。但轉(zhuǎn)向節(jié)失效仍然屢見(jiàn)不鮮，已有許多學(xué)者及工程研究人員對(duì)相關(guān)案例進(jìn)行了分析[2-5]，總而言之，轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、操作不當(dāng)、材料強(qiáng)度不夠、制造加工缺陷、熱處理缺陷等諸多因素。

汽車(chē)用轉(zhuǎn)向節(jié)在服役過(guò)程中出現(xiàn)一定比例失效問(wèn)題，該系列轉(zhuǎn)向節(jié)失效形式基本相同，大多發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承過(guò)盈配合附近，個(gè)別發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)柱面與法蘭端面過(guò)渡R部位。本研究主要針對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承過(guò)盈配合處斷口進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致早期失效主要原因，并從感應(yīng)淬火工藝參數(shù)和感應(yīng)淬火設(shè)備角度出發(fā)提出改進(jìn)措施，同時(shí)為其他軸類(lèi)產(chǎn)品的工藝研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程與分析

1.1 斷面觀察

失效轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物如圖1所示，該轉(zhuǎn)向節(jié)材料為40Cr，為提高轉(zhuǎn)向節(jié)的復(fù)雜載荷承受能力，調(diào)質(zhì)處理后采用了高頻感應(yīng)淬火工藝。斷裂位置不在軸承配合區(qū)，距離轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承過(guò)盈配合邊緣5 mm。從斷口宏觀形貌(圖2)可以看出斷口分為2層，從表面向內(nèi)大約3.5 mm范圍顏色均較暗。轉(zhuǎn)向節(jié)斷面整體比較平齊，斷口靠近外表面邊緣比內(nèi)側(cè)稍高，類(lèi)似于剪切唇。根據(jù)宏觀疲勞弧線發(fā)展方向，在內(nèi)圈可以明顯觀察到2個(gè)疲勞區(qū)域，且均從斷面顏色深和斷面顏色淺的過(guò)渡區(qū)起源(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“過(guò)渡區(qū)”)，且顯示出反弧線特征，這說(shuō)明裂紋沿過(guò)渡區(qū)起源速率較快，該區(qū)域存在較大應(yīng)力集中[6]；疲勞區(qū)斷面約占斷面內(nèi)圈面積的55%，剩余斷面為瞬斷區(qū)，該區(qū)可以明顯觀察到剪切唇。以上分析表明，斷面顏色過(guò)渡區(qū)為薄弱環(huán)節(jié)，失效轉(zhuǎn)向節(jié)為疲勞開(kāi)裂。

圖1 送檢轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物Fig.1 Appearance of steering knuckle

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of the fracture

將斷口切下并采用超聲波清洗，放置于SU-70日立分析型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下對(duì)源區(qū)進(jìn)行觀察。斷裂源形貌如圖3a所示，可見(jiàn)源區(qū)顯微特征已被磨損，但根據(jù)殘留臺(tái)階痕跡仍可判斷為線源。進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)，源區(qū)內(nèi)有較多內(nèi)壁光滑孔洞(圖3b)，孔洞的存在嚴(yán)重破壞了基體的完整性。疲勞擴(kuò)展區(qū)相鄰疲勞條帶間距較小，為高周疲勞特征(圖3c)。轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)側(cè)斷面瞬斷區(qū)為均勻細(xì)密韌窩形貌(圖3d)。

對(duì)圖2方塊區(qū)域的疲勞弧線末端進(jìn)行微觀觀察，可見(jiàn)此處斷面明顯分為4層(圖4a中由4種顏色標(biāo)注)。其中，靠近轉(zhuǎn)向節(jié)表面斷口(紅色)顯示為均勻細(xì)密韌窩，寬度大約為25 μm(圖4b)；稍遠(yuǎn)離表面的斷面(黃色)整體為沿晶+韌窩混合斷裂特征(圖4c)。根據(jù)沿晶+韌窩區(qū)撕裂棱線走向(圖4d)，再次證實(shí)裂紋從過(guò)渡區(qū)開(kāi)始起源。由斷口宏觀和微觀形貌可知，在汽車(chē)行駛、剎車(chē)、轉(zhuǎn)向的過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)向節(jié)不斷受到交變載荷作用，裂紋先后從幾乎徑向?qū)ΨQ(chēng)的過(guò)渡區(qū)起源，并且裂紋向內(nèi)擴(kuò)展速度小于周向起源速度，從而形成2個(gè)疲勞區(qū)均呈現(xiàn)多源性反弧線特征。疲勞裂紋擴(kuò)展減小了轉(zhuǎn)向節(jié)受力截面，最終在再次受到大應(yīng)力載荷時(shí)，以過(guò)渡區(qū)為界，轉(zhuǎn)向節(jié)靠近內(nèi)表面非疲勞區(qū)和靠近外表面3.5 mm范圍內(nèi)基體被拉斷，呈現(xiàn)一次性斷裂特征。

轉(zhuǎn)向節(jié)表面未見(jiàn)明顯加工刀痕，故因裝配工藝或加工工藝產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂起源的可能性較小。

1.2 硬度及金相組織分析

按圖2所示虛線剖取截面并制作樣品，硬度測(cè)量從距離斷面0.5 mm且垂直轉(zhuǎn)向節(jié)中心軸線進(jìn)行，根據(jù)GB/T 5617—2005和該轉(zhuǎn)向節(jié)技術(shù)要求(該段感應(yīng)淬火層表面硬度要求HV 550以上，本體熱處理HV 245～285)，計(jì)算極限硬度為HVHL440，測(cè)得斷口附近有效硬化層DS為3.4 mm，接近技術(shù)要求上限3.5 mm。從零件表面至未淬火部分硬度變化曲線如圖5所示，其中距離表面200 μm處硬度高達(dá)HV1657，而本體平均硬度約為HV1251。

由于截面上淬硬層與未淬硬層的組織、成分、穩(wěn)定性不同，試樣經(jīng)4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精浸蝕后，可見(jiàn)清晰顏色變化。整體組織變化如圖6所示。感應(yīng)淬火層為回火馬氏體，過(guò)渡區(qū)為鐵素體、回火索氏體和回火馬氏體混合組織，未淬火層為回火索氏體和鐵素體。同時(shí)，從金相組織腐蝕痕跡可以看出，斷面處于感應(yīng)淬火弧線末端，故所測(cè)有效硬化層深度應(yīng)比實(shí)際偏小，實(shí)際硬化層深度極有可能超過(guò)3.5 mm。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)斷面微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of the fracture of steering knuckle

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)斷口附近表面至未淬火部分硬度變化Fig.5 Hardness curves from the surface to theunquenched region near the fracture

1.3 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜分析儀對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)基體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)比GB/T 17107—1997中對(duì)各元素要求，除了C含量偏上限，其他元素未見(jiàn)異常。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)斷口截面金相組織Fig.6 Section microstructure of fractured steering knuckle表1 轉(zhuǎn)向節(jié)化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition analysis results of steering knuckle (mass fraction /%)

ElementCSiMnCrPS40Cr0.37～0.440.17～0.370.50～0.800.80～1.10≤0.035≤0.035Testing value0.440.260.611.000.0270.003

2 分析與討論

失效轉(zhuǎn)向節(jié)的斷口明顯呈現(xiàn)出雙層狀態(tài)，是因?yàn)楦袘?yīng)淬火工藝使靠近表面基體組織狀態(tài)不同，從而在抵抗裂紋擴(kuò)展能力上表現(xiàn)出差異性。根據(jù)斷口人字紋的收斂方向和疲勞弧線發(fā)展方向判斷裂紋起源于感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)，并向非感應(yīng)淬火區(qū)疲勞擴(kuò)展。同時(shí)，根據(jù)反疲勞弧線特征說(shuō)明感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)為轉(zhuǎn)向節(jié)基體力學(xué)性能薄弱環(huán)節(jié)。

感應(yīng)淬火后，硬化層由于馬氏體轉(zhuǎn)變比容增大形成壓應(yīng)力[7]，同時(shí)，過(guò)盈裝配賦予轉(zhuǎn)向節(jié)表面一定壓應(yīng)力，而過(guò)渡層由于基體從高溫到低溫體積縮小，拉應(yīng)力占主導(dǎo)地位。一般來(lái)說(shuō)，感應(yīng)淬火產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力對(duì)抗疲勞強(qiáng)度是有利的[8-9]。斷裂位置處于過(guò)盈配合邊緣附近，說(shuō)明在過(guò)盈配合區(qū)，過(guò)盈配合產(chǎn)生的壓應(yīng)力和感應(yīng)淬火層的壓應(yīng)力與非淬火層的拉應(yīng)力達(dá)到平衡，但在過(guò)盈配合邊緣，感應(yīng)淬火拉應(yīng)力不受束縛，從而發(fā)揮破壞性作用。轉(zhuǎn)向節(jié)采用鍛造成型。一般來(lái)說(shuō)，利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力的鍛造工藝可以使鋼錠內(nèi)原有的疏松、氣孔、夾渣等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密。然而，在失效件的裂紋源區(qū)卻發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁光滑孔洞，說(shuō)明該孔洞很可能是在失效件后續(xù)感應(yīng)淬火熱處理過(guò)程中形成。同時(shí)，形貌相似孔洞沿著感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)周向分布，可以推測(cè)孔洞形成是感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)兩側(cè)基體各自熱應(yīng)力和組織應(yīng)力差異性相疊加的結(jié)果。感應(yīng)淬火工藝過(guò)程產(chǎn)生的拉應(yīng)力和孔洞與轉(zhuǎn)向節(jié)頻繁發(fā)生斷裂現(xiàn)象有密切聯(lián)系，針對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因從可行性和經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行對(duì)應(yīng)工藝調(diào)整：

1)感應(yīng)淬火層深上限過(guò)大。

日本五十鈴公司對(duì)半軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明零件的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度只與硬化層深度有關(guān)系。送檢轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂部分為空心軸，壁厚約6 mm，有效硬化層深技術(shù)要求為1.5～3.5 mm。當(dāng)有效層深達(dá)到技術(shù)要求上限3.5 mm時(shí)，感應(yīng)淬火硬化層將超過(guò)軸壁厚50%。圖7所示為轉(zhuǎn)向節(jié)截面示意圖，整個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)將成為低塑性載體。對(duì)高頻表面淬火而言，中、小尺寸零件的有效淬硬層深約為工件半徑的10%～20%較為合適[10]，同時(shí)考慮空心軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低有效淬硬層深至1.5～2.0 mm。選用液壓式臺(tái)架進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞破壞試驗(yàn)，加載正弦波幅值1 500 N，加載頻率為5 Hz，零件疲勞極限超過(guò)107次，滿足使用要求。

圖7 轉(zhuǎn)向節(jié)淬火層示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of quenched layer

2)加熱速率過(guò)低。

淬火過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力是拉應(yīng)力，是由于索氏體和鐵素體從高溫到低溫體積縮小而產(chǎn)生。一般淬火邊界處殘余拉應(yīng)力的出現(xiàn)會(huì)影響零件的強(qiáng)度，甚至降低零件的壽命。轉(zhuǎn)向節(jié)經(jīng)過(guò)高頻感應(yīng)淬火工藝時(shí)，要求淬火溫度達(dá)到860～880 ℃，加熱時(shí)間為6 s。當(dāng)加熱速率降低，淬火區(qū)域以外被連帶加熱和傳導(dǎo)加熱的金屬材料質(zhì)量(或體積)會(huì)大大增加，拉應(yīng)力的峰值和作用區(qū)域也會(huì)大大增大，將會(huì)加劇拉應(yīng)力的危害[11]。因此，在保證淬火溫度不變條件下，調(diào)整加熱時(shí)間為4.5 s。通過(guò)減少加熱時(shí)間，最小化熱傳導(dǎo)區(qū)域，降低因淬火時(shí)基體體積收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力危害。

3)淬火工藝不到位。

轉(zhuǎn)向節(jié)柱面與法蘭端面通過(guò)R角連接，R部位由于截面尺寸差異，產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，是該類(lèi)零件斷裂的最大危險(xiǎn)區(qū)，也是感應(yīng)淬火的難點(diǎn)和關(guān)鍵部位[10-12]。從圖6的金相變化流線可以看出，R部位并未進(jìn)行完整淬火工藝，這必將成為另一個(gè)安全隱患。有資料[13]介紹，可采用滾壓或噴丸等方法使圓角表面區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力，但這無(wú)疑會(huì)增加生產(chǎn)工序。因此，最優(yōu)還是選擇延展淬硬范圍的方法。

由于感應(yīng)加熱電磁場(chǎng)在鐵磁性工件上受到尖角吸磁場(chǎng)的作用，臺(tái)階軸感應(yīng)淬火R部位很難加熱，同時(shí)，相鄰的尖角很容易過(guò)熱。原技術(shù)要求在加熱達(dá)到預(yù)定時(shí)間時(shí)整體自動(dòng)噴水冷卻，尖角難以保證不會(huì)淬火開(kāi)裂。因此，感應(yīng)器設(shè)計(jì)中，加裝高效硅鋼片作為導(dǎo)磁體，以對(duì)臺(tái)階尖角的磁場(chǎng)形成屏蔽作用，避免尖角過(guò)熱。

3 結(jié)論

1) 結(jié)合斷口宏微觀形貌分析，判定斷裂位置處于過(guò)盈配合附近的轉(zhuǎn)向節(jié)為疲勞開(kāi)裂且起源于感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)。

2) 轉(zhuǎn)向節(jié)感應(yīng)淬火硬化層過(guò)深，使轉(zhuǎn)向節(jié)成為低塑性載體，同時(shí)加熱速率偏低，導(dǎo)致在感應(yīng)淬火過(guò)渡區(qū)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力是導(dǎo)致發(fā)生此類(lèi)早期疲勞斷裂的主要原因。根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)幾何結(jié)構(gòu)，從經(jīng)濟(jì)性和可行性角度建議相應(yīng)降低感應(yīng)淬火硬化層上限至2.0 mm，調(diào)整感應(yīng)淬火加熱時(shí)間為4.5 s。

3) 淬火不到位可能導(dǎo)致個(gè)別轉(zhuǎn)向節(jié)淬火區(qū)與法蘭端面過(guò)渡R部位開(kāi)裂，采取延展硬化層技術(shù)要求，對(duì)R角部分進(jìn)行整體一次性淬火工藝，消除R部分?jǐn)嗔央[患，提升產(chǎn)品質(zhì)量。