某前軸轉(zhuǎn)向節(jié)主銷早期斷裂原因分析

張振華，王歡銳，周彬，張寧娟

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

1 失效概況

重型車橋的前軸轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車重要的安全零部件，而主銷則是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的零部件[1]，其常見(jiàn)的失效形式為：腐蝕疲勞和磨損疲勞，出現(xiàn)斷裂情況較少，而我公司近期售后反饋某8 噸前軸轉(zhuǎn)向節(jié)主銷斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重，通過(guò)調(diào)查，斷裂主銷主要用于自卸車（受力較大），同時(shí)在牽引車上也有出現(xiàn)（受力較?。?，行駛里程平均在10000km 以內(nèi)。

退回的大部分轉(zhuǎn)向節(jié)主銷斷裂于大端上φ45 桿部3-6 mm 處，少量斷于小端下φ45 桿部3-4mm 處，如圖1、圖2所示。斷口失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)所占比例很大，滲碳層稍過(guò)即為失穩(wěn)放射擴(kuò)展區(qū)，這說(shuō)明斷裂時(shí)受力是比較大的，具有彎曲疲勞斷裂特征斷裂[2]，如圖3、圖4 所示，由于斷裂穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)很淺，并且斷口表面磨損、磕碰嚴(yán)重，大多數(shù)主銷斷口疲勞特征不明顯。

前軸大端端面可見(jiàn)磕碰痕跡，其中一件端面有與軸承端面磨損痕跡，大端銷孔倒角以上與銷軸斷裂位置相一致的范圍（3-6mm）磨損嚴(yán)重，磨損表面拉痕粗糙，并且存在明顯的臺(tái)階如圖5、圖6，說(shuō)明這是最后斷裂過(guò)程中劇烈磨損所致。銷孔及主銷斷口附近在斷裂前有微動(dòng)磨光痕跡，如圖5、圖2，斷口邊沿銷軸表面存在擠壓痕跡和不規(guī)則網(wǎng)狀裂紋，銷孔磨光痕跡可至端面以內(nèi)14mm，銷軸斷口以上表面磨光不明顯。

圖1 主銷斷裂位置

圖2 主銷小端斷裂處及微動(dòng)磨損產(chǎn)生裂紋

圖3 斷在銷孔內(nèi)的主軸和銷孔的形貌

圖4 主銷斷口形貌

圖5 前軸主銷孔內(nèi)部磨損痕跡

圖6 斷裂主銷的銷孔大端形貌

2 原因分析

通過(guò)宏觀觀察結(jié)果，從以下幾方面探討主銷斷裂原因：

2.1 主銷和銷孔的機(jī)加工質(zhì)量及配合

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工出的前軸主銷孔尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果均在φ 45.02 以內(nèi)，橢圓度、稍度均在0.01 以內(nèi)，支架總成的主銷孔加襯套后內(nèi)徑φ 43+0.07 +0.01(圖紙要求φ 43+0.055+0.03)，超差0.02mm。

斷裂主銷φ45 桿部尺寸φ45+0.08 +0.07 、φ45+0.07+0.05（圖紙要求φ45+0.084 +0.07）；主銷孔尺寸斷口附近φ 45+0.06 +0.05、中間及小端φ45+0.02（圖紙要求φ45+0.025 0），工件加工尺寸正常，符合技術(shù)要求，但是斷口附近已經(jīng)磨損0.025～0.035mm。

2.2 主銷材質(zhì)分析

對(duì)其中一件斷裂主銷進(jìn)行理化分析，主銷表面硬度梯度分布結(jié)果如表1 所示：

表1 斷裂主銷表面硬度梯度分布

金相及硬度檢測(cè)結(jié)果為：

有效硬化層深：0.9mm；表面硬度：59.8-63.8HRC；

心部硬度（截面中心）：23.8-25.6HRC；

表面馬氏體評(píng)級(jí)：5 級(jí)；殘余奧氏體評(píng)級(jí)：5 級(jí)；

用溶液法測(cè)得的主銷成分符合GB/T3077-1999 中20Cr MnTi 的技術(shù)要求。

可見(jiàn)，理化檢驗(yàn)結(jié)果符合主銷圖紙技術(shù)要求，不是造成其早期斷裂的主要原因。

2.3 電鏡分析

在斷裂主銷斷口附近取樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，可見(jiàn)裂紋起源于斷口側(cè)面（即主銷與主銷孔配合面）的表面皿狀淺坑的邊緣，裂紋附近伴隨有或深或淺的坑狀剝落，碾壓痕跡和氧化物明顯可見(jiàn)，如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 斷口側(cè)面裂紋宏觀形貌500×

圖8 斷口側(cè)面裂紋附近 形貌1000×

圖9 裂紋及其附近微小裂紋5000×

3 分析及改進(jìn)措施

一般前軸轉(zhuǎn)向節(jié)主銷和銷孔的配合有兩種結(jié)構(gòu)，第一種主銷和主銷孔松配合，側(cè)面打入銷軸止動(dòng)，第二種也就是本文的結(jié)構(gòu)，主銷與主銷孔采用過(guò)盈配合。主銷在工作過(guò)程中由于受到不斷變化的彎矩作用，對(duì)其側(cè)面產(chǎn)生不斷擠壓和微動(dòng)，眾所周知，過(guò)盈配合軸孔典型的失效模式就是配合端面附近微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞[2]。從上述觀察和分析結(jié)果表明，主銷的斷裂符合微動(dòng)疲勞特征。在彎矩作用下，主銷及主銷孔配合端面附近首先產(chǎn)生微動(dòng)磨損，這種微動(dòng)由深入主銷孔端面14mm 的磨損痕跡及測(cè)量結(jié)果可以得到證實(shí)，結(jié)果同時(shí)表明，配合變得不緊密，甚至出現(xiàn)間隙，使得微動(dòng)磨損加劇，進(jìn)入惡性發(fā)展過(guò)程。微動(dòng)磨損的同時(shí)在主銷表面產(chǎn)生了不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋，由此導(dǎo)致最終疲勞斷裂。有研究表明，微動(dòng)疲勞將嚴(yán)重降低軸的疲勞強(qiáng)度[3]。所以，對(duì)前軸轉(zhuǎn)向節(jié)主銷進(jìn)行改進(jìn)的關(guān)鍵就是提高主銷抵抗微動(dòng)疲勞的能力。有多個(gè)方面的措施，比如采用更緊的配合，但將導(dǎo)致拆卸維修非常不方便；加粗或加長(zhǎng)主銷配合，從而減少配合表面擠壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)上要作較大的改動(dòng)，前軸要重新開(kāi)發(fā)，模具費(fèi)用很大；端面附近開(kāi)減應(yīng)力槽，整體強(qiáng)度將不能保證；采用表面減磨涂層等減磨措施，帶來(lái)成本增加以及配合上未知，如是否會(huì)帶來(lái)運(yùn)行松曠，以上措施均有不足。

表面硬化處理以及表面殘余壓應(yīng)力會(huì)微動(dòng)產(chǎn)生有利的影響?？紤]到42CrMo 表面感應(yīng)淬火相對(duì)于20CrMnTi 表面滲碳，雖然都是表面硬化處理，但是42CrMo 感應(yīng)淬火處理表面得到的是針狀和板條馬氏體的混合組織，并且不存在顯微裂紋，因而42CrMo 表面感應(yīng)淬火組織強(qiáng)韌性要好的多；其次，42CrMo 感應(yīng)淬火表層具有更高的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)因?yàn)楸砻娲慊饘痈睿赃€具有更深的殘余壓應(yīng)力深度[4]。

從淬透性和心部性能方面考慮，由于主銷桿部直徑φ45較粗，20CrMnTi 淬透性有限[5]，在油中淬火，僅表面幾毫米能淬透，再往心部就變成了馬氏體、貝氏體、鐵素體混合組織，當(dāng)材料淬透性在下限時(shí)，其心部硬度僅有20HRC 左右，強(qiáng)韌性不足。而42CrMo 淬透性要更好，甚至采用PAG 淬火溶液并調(diào)整濃度的工藝方法可保證心部淬透，配合淬火后高溫回火處理，得到具有綜合力學(xué)性能良好的回火索氏體組織，具有更高的心部強(qiáng)度。綜上分析，42CrMo 表面感應(yīng)淬火應(yīng)該具有更好的疲勞抗力。

故改進(jìn)措施選用了42CrMo 表面感應(yīng)淬火主銷，具體技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)心部硬度：28-32HRC，感應(yīng)淬火表面硬度57～60 HRC，有效硬化層深：1-3mm，其他不變。

經(jīng)過(guò)一年多的驗(yàn)證，未反饋該8 噸前軸主銷斷裂，改進(jìn)效果明顯。

4 結(jié)論

基于以上分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）該前軸轉(zhuǎn)向節(jié)主銷斷裂模式是微動(dòng)疲勞斷裂。

（2）主銷采用42CrMo 表面感應(yīng)淬火比20CrMnTi 表面滲碳淬火具有更高的疲勞抗力，改進(jìn)效果良好。