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变速箱第二轴断裂原因分析 |
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作者：湖北江山机械厂 刘泽坤 赵旭东 |
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摘要：变速箱第二轴在总装时发生批量断裂，断裂部位均在轴端螺纹收尾根部。采用化学成分分析、金相检验以及断口宏、微观分析等方法，对该轴的断裂原因进行分析。结果表明，该零件在热处理过程中，因超音频回火工艺控制不当，以及机加工缺陷引起的应力集中是导致断裂的主要原因。提出了改进措施。
关键词：显微组织;超音频回火;应力集中;马氏体
1情况简介
变速箱第二轴经热处理后，在总装时发生批量断裂，断裂部位均发生在轴端螺纹收尾根部处，见图1。该轴材料为20CrMo，生产工艺:下料→锻造→正火→机加工→渗碳淬火→回火(180～200℃)→抛丸→校直→局部(螺纹部)超音频回火(560～580℃)。
图1断裂部位示意图
工件的技术要求:有效渗碳层深度为0.7～1.1mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度26～42HRC;对螺纹部位采用超音频回火工艺以降低硬度。
2理化检验
2.1化学成分分析
在断裂件上取样进行化学成分分析，检测结果(质量分数)见表1。可见其成分符合GB/T3077-1999的要求。
2.2宏观断口分析
断裂位置位于螺纹收尾根部与花键轴的连接处。经观察，该部位表面肉眼可见明显的机械加工刀痕，断口边缘呈锯齿状，见图2。
图2宏观断口形貌
2.3微观断口分析
断口经扫描电镜观察，裂纹源均起源于螺纹根部，沿周向呈现为多源，每个裂纹源处有明显台阶。断口呈沿晶解理断裂，为脆性断口特征，并有大量二次裂纹，见图3和图4。 
图3B处为二次裂纹形态 图4脆性断口特征像
2.4金相检验
在断口处制取金相试样，光学显微镜下观察，圆周螺纹上有多条由外向里的裂纹，裂纹较平直，尾部尖细，两侧无脱碳，见图5。
图5裂纹显微组织照片120× 4%硝酸酒精溶液侵蚀
将断轴螺纹沿轴向切开，检查经超音频回火后的金相组织，发现存在一个宏观的月牙形区域(图6)，该区组织为淬火马氏体(见图7)，而螺纹两端为回火区。 
图6月牙形淬火区形貌
图7月牙形区的二次淬火马氏体组织480× 4%硝酸酒精溶液侵蚀
2.5硬度测试
经测试，月牙形区域中部硬度为570HV，螺纹两端硬度为514～533HV，心部硬度为35～36HRC。
3结果分析
根据成分分析可知，该零件所用材料化学成分符合GB/T3077-1999中20CrMo钢的要求，可排除因材料错用而导致断裂的因素。
该批零件经渗碳淬火后，在螺纹部进行超音频回火，以降低其硬度。但金相组织及显微硬度测定结果均表明，此回火过程，实际上是在螺纹部位又进行了一次淬火，这必然加大了该处的组织应力和热应力。
从断裂的部位看，断裂均发生在螺纹收尾的根部与花键轴的连接处。由于该处没有加工退刀槽，是机加工的应力集中处;同时该部位也是超音频回火结束部位，是热应力与组织应力集中区，从裂纹的形态上看系冷应力裂纹。
4结论
(1)该轴的断裂是由于超音频回火温度失控，使回火过程实际上变成了淬火过程，使螺纹部位处于高应力状态。
(2)超音频回火后产生的裂纹属冷应力裂纹或延迟裂纹，是由于机加应力与淬火组织应力集中所造成。
5工艺改进措施
(1)降低超音频回火温度，延长加热时间。
(2)提高螺纹根部的粗糙度，避免尖锐的刀痕出现，同时在螺纹的收尾部设计一个退刀槽，以降低机加工应力。
(3)将超音频回火区域沿轴花键部延长，避免在螺纹收尾部产生应力集中。
采取上述措施后，近两年来未发生类似断裂失效事故。(end)
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(12/25/2006) |
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