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| GCr15钢行星轮轴的开裂失效分析 |
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GCr15钢制行星轮轴在使用过程中以及精磨过程中出现周向或环状裂纹，个别零件裂纹贯穿表面。该批零件生产工艺流程为：棒材下料→球化退火→锻造成型→机械加工→热处理淬火、回火→机加精磨外圆→成品→清洗→防锈。热处理要求为：硬度60～66HRC，热处理淬火加热所用设备为井式淬火炉，型号为RJJ-75-9D，所用工装为自制工装，每炉装载量90件，加热温度850℃，保温时间120min，煤油滴量为20～40滴/min（防止脱碳），淬火介质为30#机油。油淬后以75℃热水清洗并回火，回火所用设备为井式回火炉，型号为RJJ36-6，回火温度为180℃，回火保温时间120min。在装配过程及精磨外圆过程中，部分行星轮轴出现裂纹，本文就此进行失效原因分析。1.讨论与分析（1）宏观断口形貌图1为行星轮轴示意，图2为失效零件。通过观察发现，失效断口平行于工件周向，断面平齐，属于脆性断裂。根据撕裂棱特征判断裂纹走向，发现断口存在多个裂纹源，位置在工件表面沿周向分布。（2）探伤检验对失效的行星轮轴以及成品库房待用零件进行磁粉探伤检验，发现工件表面存在不同程度的裂纹，如图3所示。图3a裂纹成龟甲状，图3b裂纹方向沿周向平行扩展，且垂直于磨削方向。（3）硬度分析对失效零件进行硬度分析，如图4所示，沿箭头方向分别为1、2、3、4、5、6测试点，对零件不同位置进行硬度分析的结果如表1。表1结果说明，经过冷加工磨削后零件表面硬度值均匀且偏上限，符合零件硬度要求。零件横切面硬度***低点为48HRC，说明零件已淬透。表1零件不同位置的硬度值测试位置硬度HRC边缘1边缘2心部3心部4边缘5边缘6横切后端面616050485558零件表面656465646565（4）化学成分分析对行星轮轴的化学成分进行检验，结果见表2，其化学成分符合GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》的要求。表2 GCr15钢化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnCrPSNiCuGB/T18254-2002标准要求0.95～1.050.15～0.300.25～0.451.4～1.65≤0.025≤0.025≤0.3≤0.25测定值1.010.280.301.540.0140.0190.210.19（5）夹杂检测在裂纹集中处切取一段制成全自动精密试样，按GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》进行非金属夹杂检测，结果见表3，由表3可知，行星轮轴材料所含非金属夹杂物均符合GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》标准的要求。表3 行星轮轴非金属夹杂物检测结果非金属夹杂物类型GB/T18254-2002标准要求实测结果细系粗系细系粗系A2.51.51.50.5B2.01.000C0.50.500D1.01.00.50.5（6）全自动精密组织观察表层裂纹及形貌：在对失效零件进行全自动精密分析时，发现了许多由表面向内延伸的表面裂纹，裂纹长度在0.15～0.20mm之间，裂纹垂直于表面向内延伸，见图5。裂纹末端尖锐，沿晶界扩展，且裂纹两侧无氧化、无脱碳。图5裂纹形貌曲折、间断，而且裂纹体的有些部位出现了分叉现象，说明淬火时存在较大的内应力（包括组织应力和热应力）。观察表层裂纹附近的全自动精密组织，如图6所示，图中组织为细针状马氏体以及隐针马氏体，未溶解的碳化物颗粒以及少量的残留奥氏体。正常马氏体应该是隐针状马氏体和少量细针状马氏体，均匀分布的细小碳化物颗粒以及少量的残留奥氏体组织。图6均显示马氏体针较明显且粗大，说明在热处理过程中有过热的倾向。对试样使用50%的盐酸溶液进行热酸蚀，使表面裂纹显示的更明显，酸洗后的表面情况如图7所示。由图可知，行星轮轴表面有多条裂纹，呈现出与磨削方向垂直的平形状分布。2.结果分析（1）裂纹产生的原因断口的形貌分析及全自动精密观察说明,零件表面的裂纹多起源工件表面,且裂纹两侧无氧化脱碳现象,说明这些表面裂纹产生于淬火冷却时或冷却后。本批行星轮轴均为GCr15高碳合金钢制造的薄壁零件,淬火时已淬透，因马氏体与奥氏体比容的差异以及奥氏体、马氏体与碳化物热膨胀系数的巨大差异,加之零件存在的过热倾向，淬火时势必产生较大的淬火应力，由于心部的马氏体相变落后于表面,且马氏体比容大于奥氏体,因此增大了零件表面的拉应力,促使表层的张开型淬火裂纹向里扩展。（2）磨削裂纹的确定磨削裂纹是零件在淬火后精磨时,由于磨削表层的局部内应力(由淬火应力和磨削力共同决定)超过了材料的断裂极限而产生的局部裂纹。磨削裂纹一般呈细密的且与磨削方向垂直的直线状分布，或以龟甲形状出现。虽然形态会有所不同，但磨削裂纹一般均存在于磨削表面较浅的范围内。本试验所观察到的表面裂纹大多起源于零件的磨削面，且裂纹较浅，在无损探伤检验以及热腐蚀后，表面裂纹形貌均符合磨削裂纹形貌情况。在零件磨削过程中，磨削应力改变了零件内部高应力的分布状态，使心部靠外区域中原来的压应力变为拉应力,从而促进该处裂纹的萌生和扩展，所以裂纹虽属于磨削裂纹，但不是开裂的根本原因，磨削只是促进了淬火裂纹的扩展,***终导致了零件的磨削开裂。3.结语（1）该批GCr15钢制行星轮轴的开裂失效虽然发现于磨削工序,但磨削并不是零件开裂的根本原因，尖锐的机加工刀痕只是加剧了淬火应力的集中，促进了裂纹的扩展。（2）零件加热时的过热敏感性,增大了淬火裂纹的萌生几率,致使行星轮轴在较大的淬火应力下产生了表面裂纹。同时,淬火后未及时回火以及回火不充分,使零件长时间处于高应力状态,促进了淬火裂纹的扩展。4.改进措施根据上述分析，采取了以下几点改进措施,基本消除了GCr15钢行星轮轴的开裂现象：（1）加强原材料的检验,确保其成分、组织及各种缺陷在标准允许的范围内。控制球化退火及锻造工序，保证淬火前的组织正常。（2）提高淬火前零件的表面光洁度,消除尖锐的机加工刀痕；淬火加热时,控制装炉量,避免温度过高或时间过长，以免发生较严重的氧化、脱碳；零件遇不合格返修时，必须经过退火消应力。（3）改变回火工艺，将原回火时间120min延长至180min。
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