20CrNiMo鋼聯(lián)動(dòng)軸壽命測試斷裂原因分析

闞亞威

鎮(zhèn)江液壓股份有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212000

1 序言

20CrNiMo鋼屬于低碳合金鋼，常用于制造中小型汽車、拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪。擺線液壓馬達(dá)聯(lián)動(dòng)軸，在馬達(dá)壽命試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂。該型聯(lián)動(dòng)軸在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，承受扭矩為600N·m，轉(zhuǎn)速180r/min，壽命要求＞60h，此次壽命試驗(yàn)共測試3次，均在6～8h出現(xiàn)了斷裂，為此與以往的齒面疲勞磨損導(dǎo)致的失效形成進(jìn)行了對(duì)比?，F(xiàn)對(duì)其中1根斷裂的聯(lián)動(dòng)軸進(jìn)行原因分析。該零件由20CrNiMo鋼棒料加工制造，其生產(chǎn)工藝流程為：下料→車削→滾齒→熱處理→拋丸→清洗→成檢。

2 檢驗(yàn)過程與結(jié)果

（1）宏觀檢測 聯(lián)動(dòng)軸斷裂宏觀形貌如圖1所示，聯(lián)動(dòng)軸在反復(fù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，軸心部有少量的塑性變形，扭轉(zhuǎn)斷口與軸向呈45°角，斷口部分呈鋸齒狀，結(jié)合失效時(shí)間，初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

圖1 聯(lián)動(dòng)軸斷裂宏觀形貌

（2）化學(xué)成分分析 對(duì)該聯(lián)動(dòng)軸化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。化學(xué)成分符合要求。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 （%）

（3）硬度檢測 該零件技術(shù)要求：表面硬度57～62HRC，心部硬度30～45HRC，有效硬化層深度為0.6～0.9mm。該聯(lián)動(dòng)軸表面硬度59～60HRC，心部硬度35～37HRC，有效硬化層深度為0.79mm，符合技術(shù)要求。

（4）金相檢驗(yàn) 該零件熱處理金相組織要求：表層回火馬氏體≤5級(jí)，殘留奧氏體≤5級(jí)，碳化物≤3級(jí)。如圖2所示，該聯(lián)動(dòng)軸表層回火馬氏體為5級(jí)，殘留奧氏體為5級(jí)，碳化物為1級(jí)，符合技術(shù)要求。對(duì)斷口處進(jìn)行非金屬夾雜物的檢測（見圖3）測試結(jié)果：A1.0，B3.0，C0.5，D3.0，DS0.5，發(fā)現(xiàn)斷口附近有大量B類、D類非金屬夾雜物。

圖2 金相組織

圖3 非金屬夾雜物的檢測

3 分析與討論

綜上檢驗(yàn)結(jié)果分析，該20CrNiMo鋼聯(lián)動(dòng)軸的化學(xué)成分、硬度、熱處理金相組織均符合技術(shù)要求，非金屬夾雜物級(jí)別過高。其中，回火馬氏體及殘留奧氏體級(jí)別偏上限。研究表明，一定含量的殘留奧氏體反而能松弛鋼中的應(yīng)力、沖擊吸收能量，緩沖相變馬氏體的沖擊力，減少顯微裂紋，增強(qiáng)抗疲勞性能[1]。

另外，鋼中非金屬夾雜物對(duì)疲勞性能的影響一方面取決于夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、形狀和分布；另一方面受鋼基體組織和性質(zhì)制約，與基體結(jié)合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物的危害最大[2，3]。該聯(lián)動(dòng)軸斷口表層附近，發(fā)現(xiàn)大量的B類、D類非金屬夾雜物，本質(zhì)上是脆性夾雜物。由于脆性夾雜物不能傳遞鋼基體中的應(yīng)力，從而誘發(fā)疲勞裂紋，且脆性夾雜物在應(yīng)力作用下會(huì)因碎裂而產(chǎn)生開裂，更易產(chǎn)生疲勞裂紋。聯(lián)動(dòng)軸在反復(fù)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，在這些脆性夾雜物附近產(chǎn)生多個(gè)疲勞源及微裂紋，裂紋沿與軸線呈45°的兩個(gè)方向發(fā)展，最終形成部分鋸齒狀斷面，導(dǎo)致聯(lián)動(dòng)軸在測試過程中發(fā)生異常疲勞斷裂。

4 結(jié)論和建議

該型20CrNiMo鋼聯(lián)動(dòng)軸壽命試驗(yàn)發(fā)生早期斷裂的原因，是由于鋼中B類及D類脆性非金屬夾雜物級(jí)別過高導(dǎo)致的。因此，在以后的生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原材料非金屬夾雜物的檢測，嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，見表2。通過上述措施，可解決聯(lián)動(dòng)軸在壽命測試時(shí)發(fā)生異常斷裂的問題。

表2 非金屬夾雜物驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) （級(jí)）