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螺伞齿轮轴纵向贯穿性开裂原因分析

摘要：通过断口的宏观及微观形态与金相组织的分析，查明由于锻件本身存在的缺陷，导致螺伞齿轮轴在淬火过程中产生裂纹，随后裂纹沿径向及轴向扩展，直至纵向贯穿性开裂。

关键词：螺伞齿轮轴；裂纹；带状组织；缺陷

0 引言

一批材料为20Cr2Ni4的螺伞齿轮轴，共计5根，在热处理工序的渗碳淬火+低温回火结束后，间隔不同时间，全部发生了纵向贯穿性开裂。当前3根螺伞齿轮轴发生开裂后，对后2根螺伞齿轮轴的热处理过程进行了跟踪，在跟踪过程中发现，螺伞齿轮轴在低温回火结束后，间隔15min，在轴身(轴身为镀铜防渗)中部首先出现轴向细小裂纹，然后裂纹沿轴向向两端扩展，直至贯穿全身，裂纹深度为直径的23。裂纹起始出现区域及取样部位见图1。

图1开裂的螺伞齿轮轴

1 宏观断口分析

螺伞轴宏观断口形貌见图2。首先可见断口较干净，没有油污及其它污染，说明宏观开裂产生在回具有按键调速、实验力位移数字显瑞风配件示火后。可见断口明显分为3部分，第2部分为工件近表面部分，断口为灰色，较平坦，且有这些都会使测试结果产生误差快速扩展的人字纹花样，外表面处有剪唇，即为终裂区；第3部分为亮灰区，同为裂纹扩展区；第1部分断口为灰褐色，较为粗糙，有凸凹不平的小棱面，凹坑内为灰褐色，且有光泽。从宏观断口的形貌、色泽、扩展方式，初步判断第1部分为裂源区。

图2螺伞轴宏观断口形貌

2 显微分析

在断口旁磨制轴向试样，可见断口一侧2号、3号区裂纹较为平坦，而1号区裂纹为锯齿状，且裂纹旁有棱角状孔洞和支裂纹，见图3。

图31号区裂纹旁情况100×

图4为1号区轴向组织情况，可见有明显的带状组织，这是材料的成分区域偏析所致，带状组织使钢的横向塑性、韧性明显降低。

图41号区轴向带状组织400×

3 扫描电镜断口分析

对1号区断口进行扫描电镜观察，发现有较多不规则形状的区域，见图5。可见此缺陷表面光滑，很薄汽车灯具很脆，与基体结合不好，且其上有微裂纹、孔洞，经能谱微区分析，主要为Fe，含量为99.44%，其它元素为残量。分析认为此为锻件本身存在的缺陷，这种薄膜缺陷的存在这是1个飞加热管机结构的主要设计标准将影响晶间结合力。同时在此区域发现有部分沿晶断特征，见图6，因此可进一步证实1号区为裂纹源区。

图51号区SEM79.4×

图61号区SEM500×

2号区断口形貌：准解理+部分韧窝，其上有单个脆性夹杂物。

3号区断口形貌：准解理+韧窝，其上发现有疏松不致密缺陷。

4 结论

(1)通过上述一系列试验观察，可以确定裂纹首先在1号区产生，然后沿径向及轴向扩展，2号、3号区为裂纹扩展区。

(2)钢中存在角状孔洞、疏松等不致密缺陷，以及轴向不均匀性组织，都对机械性能产生不利影响。

(3)通过扫描电镜断口背心综合分析，断定锻件中(1号区)存在不规则形状的薄膜缺陷，其表面光滑，其上有微裂纹和孔洞。正是由于该缺陷的存在，极大地降低了此区域的晶间结合力，同时其上的微裂纹、孔洞成为危险的应力提升源。在随后的热处理过程中，尤其是在淬火过程中，工件将承受较大的热应力，必然导致工件在缺陷处首先形成微裂纹，成为裂纹源区，并且部分以沿晶的方式扩展，在应力的不断作用下，裂纹继续沿径向及轴向扩展，直至形成宏观的纵向贯穿性裂纹。(end)