汽車桿式半軸裂紋分析及預(yù)防措施

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

汽車桿式半軸是驅(qū)動(dòng)橋總成中驅(qū)動(dòng)車輪的關(guān)鍵零件，對(duì)汽車安全正常的行駛至關(guān)重要，工作時(shí)主要承受驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)扭矩，此外還受一定的沖擊載荷，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是細(xì)長(zhǎng)桿(見圖1)。

圖1 汽車桿式半軸

某公司在生產(chǎn)一批汽車桿式半軸過程中，發(fā)現(xiàn)該工件在中頻淬火后出現(xiàn)裂紋，立即對(duì)該批工件進(jìn)行磁粉探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)共有7件有裂紋缺陷。該桿式半軸選用42CrMoH中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具體工藝流程為:圓鋼下料—鍛造—調(diào)質(zhì)處理—壓床校直—粗車加工—中頻感應(yīng)淬火處理—自回火—校直—磨削加工—探傷—打標(biāo)識(shí)—浸油包裝。進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的目的是提高工件的強(qiáng)韌性；對(duì)工件表面進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火及自回火，其目的是增加表面的強(qiáng)度和壓應(yīng)力，以增強(qiáng)工件的抗疲勞性能[1-2]。本文通過對(duì)有裂紋的桿式半軸進(jìn)行化學(xué)成分分析、宏微觀斷口分析、顯微組織分析及感應(yīng)淬火有效硬化層分析，目的是找到產(chǎn)生裂紋的主要原因并提出合理而有效的預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

從有裂紋的工件上截取試樣，采用日本島津光電直讀光譜儀PDA-5500S測(cè)量其化學(xué)成分，其結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明該材料化學(xué)成分符合GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求，但碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高。

表1 失效汽車桿式半軸的化學(xué)成分 %

1.2 斷口宏觀形貌分析

用丙酮超聲波清洗有裂紋的桿式半軸，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋在桿式半軸表面呈一字直線縱向分布，長(zhǎng)200 mm左右。斷口宏觀形貌如圖2所示，裂紋向內(nèi)延伸約12.8 mm，裂紋由粗變細(xì)且穿透淬硬層，在穿透淬硬層后呈無力狀、無分支。

1.3 斷口微觀形貌分析

在開裂處橫向截取試樣，經(jīng)磨制、拋光后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，裂紋微觀形貌如圖3和圖4所示，裂紋尾部有非金屬夾雜物聚集。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后裂紋微觀形貌及顯微組織，如圖5～圖9所示，裂紋兩側(cè)無脫碳，裂紋內(nèi)無明顯污物，淬硬層顯微組織為回火馬氏體組織，裂紋兩側(cè)的回火馬氏體組織無明顯差異；心部組織是回火索氏體組織；顯微組織正常并符合技術(shù)要求。

圖2 試樣斷口宏觀形貌

圖3 裂紋前部(未侵蝕)

圖4 裂紋尾部(未侵蝕)

圖5 裂紋前部

圖6 裂紋尾部

圖7 裂紋一側(cè)的顯微組織

圖8 裂紋另一側(cè)的組織

圖9 汽車桿式半軸心部組織

1.4 感應(yīng)淬火有效硬化層深度分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5617—2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測(cè)定》對(duì)試樣進(jìn)行有效淬硬層深度檢測(cè)，用洛氏硬度計(jì)對(duì)該試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2，感應(yīng)淬火硬化層深度Ds=8.5 mm，有效硬化層深度滿足技術(shù)要求(Ds=7～10 mm)。

2 裂紋成因分析

經(jīng)材料化學(xué)成分分析可知，桿式半軸材料中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高,雖對(duì)裂紋產(chǎn)生直接影響不大，但經(jīng)調(diào)質(zhì)、中頻感應(yīng)淬火后，會(huì)使桿式半軸硬度提高而塑性降低。由圖2可以看出，裂紋兩側(cè)基本吻合，說明工件經(jīng)過劇烈而反復(fù)鍛打壓力加工過程產(chǎn)生裂紋的可能性很小[3]。假設(shè)裂紋是鍛造產(chǎn)生的裂紋，則經(jīng)過 860 ℃±10 ℃淬火，必然會(huì)產(chǎn)生明顯脫貧碳現(xiàn)象，但由圖5～圖9表明裂紋兩側(cè)無脫貧碳現(xiàn)象，說明調(diào)質(zhì)處理前工件表面無裂紋。

假設(shè)該桿式半軸的裂紋是調(diào)質(zhì)淬火產(chǎn)生的，則有裂紋的工件經(jīng)感應(yīng)淬火后硬化層深度分布是不均勻的。這是因?yàn)楣ぜ砻娼?jīng)中頻感應(yīng)加熱時(shí)，若基體是均質(zhì)無缺陷的材料，磁力線分布是均勻的，產(chǎn)生的渦流分布也均勻，從而使渦流影響區(qū)加熱均勻，再經(jīng)快速淬火后硬化層深度分布是均勻的；若基體有裂紋等缺陷，缺陷內(nèi)部空間中的磁導(dǎo)率下降，猶如“磁阻”，磁力線分布不均勻，缺陷處磁通密度增加，形成一個(gè)包絡(luò)缺陷的高密度渦流區(qū)，該區(qū)域被異常加熱，經(jīng)快速淬火后硬化層深度分布是不均勻的，缺陷處硬化層深度值大[4]。由圖2試樣斷口宏觀形貌可以看出，該桿式半軸的硬化層深度是均勻的，所以可以判定裂紋為非調(diào)質(zhì)淬火裂紋，即為中頻感應(yīng)淬火裂紋。

汽車桿式半軸經(jīng)中頻感應(yīng)淬火時(shí)所產(chǎn)生的淬火應(yīng)力一般由組織應(yīng)力和熱應(yīng)力兩部分疊加而成。由于該桿式半軸為細(xì)長(zhǎng)軸，不僅在感應(yīng)加熱過程中會(huì)形成較大的熱應(yīng)力，尤其工件有聚集的非金屬夾雜物缺陷區(qū)域會(huì)被異常加熱，即此處熱應(yīng)力最大；而且在快速冷卻過程中表層組織又迅速轉(zhuǎn)變成一定的硬化層，即產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，中心冷卻收縮形成的熱應(yīng)力遠(yuǎn)大于組織應(yīng)力，從而使中心也產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，這種現(xiàn)象隨著截面尺寸的增大而加大，當(dāng)材料中存在集中性非金屬夾雜物且沿軸間呈條狀和大塊聚集狀分布時(shí)，極易在工件夾雜物的薄弱區(qū)域形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，并沿縱向夾雜物迅速擴(kuò)展。由圖3和圖4可以看出，裂紋尾部有集中性非金屬夾雜物，所以該桿式汽車桿式半軸材料內(nèi)存在的非金屬夾雜物以及感應(yīng)淬火應(yīng)力的作用是形成縱向開裂的主要原因。

3 結(jié)論及預(yù)防措施

(1)該汽車桿式半軸的裂紋是中頻感應(yīng)淬火后產(chǎn)生的，為原材料非金屬夾雜物和淬火應(yīng)力引起的淬火裂紋。

(2)嚴(yán)格控制原材料的成分及加強(qiáng)原材料的檢驗(yàn)是避免汽車桿式半軸裂紋的有效方法。

(3)良好的設(shè)備維護(hù)，規(guī)范且負(fù)責(zé)任的操作及認(rèn)真細(xì)致的定期檢測(cè)汽車桿式半軸工件，是提高桿式半軸工件質(zhì)量的最好方法。