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非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂【案例分享】

案例分享:非金屬夾雜物超標(biāo)導(dǎo)致軸斷裂 

20CrNiMo鋼屬于低碳合金鋼,常用于制造中小型汽車、拖拉機的發(fā)動機和傳動系統(tǒng)中的齒輪。擺線液壓馬達聯(lián)動軸,在馬達壽命試驗時發(fā)生斷裂。該型聯(lián)動軸在進行壽命試驗時,承受扭矩為600N·m,轉(zhuǎn)速180r/min,壽命要求>60h,此次壽命試驗共測試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)致的失效形成進行了對比?,F(xiàn)對其中1根斷裂的聯(lián)動軸進行原因分析。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。


一、檢驗過程與結(jié)果


(1)宏觀檢測
聯(lián)動軸斷裂宏觀形貌如圖1所示,聯(lián)動軸在反復(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)合失效時間,初步判定為扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。

圖1  聯(lián)動軸斷裂宏觀形貌


(2)化學(xué)成分分析
對該聯(lián)動軸化學(xué)成分進行分析,結(jié)果見表1?;瘜W(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   (%)

項目

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Cu

零件

0.19

0.20

0.85

0.015

0.018

0.54

0.46

0.22

0.04

標(biāo)準(zhǔn)

0.17~0.23

0.17~0.37

0.60~0.95

0.030

0.030

0.40~0.70

0.35~0.75

0.20~0.30

0.30

(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
該零件熱處理金相組織要求:表層回火馬氏體≤5級,殘留奧氏體≤5級,碳化物≤3級。如圖2所示,該聯(lián)動軸表層回火馬氏體為5級,殘留奧氏體為5級,碳化物為1級,符合技術(shù)要求。對斷口處進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


二、分析與討論


綜上檢驗結(jié)果分析,該20CrNiMo鋼聯(lián)動軸的化學(xué)成分、硬度、熱處理金相組織均符合技術(shù)要求,非金屬夾雜物級別過高。其中,回火馬氏體及殘留奧氏體級別偏上限。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,增強抗疲勞性能。

另外,鋼中非金屬夾雜物對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。該聯(lián)動軸斷口表層附近,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)力作用下會因碎裂而產(chǎn)生開裂,更易產(chǎn)生疲勞裂紋。聯(lián)動軸在反復(fù)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下,在這些脆性夾雜物附近產(chǎn)生多個疲勞源及微裂紋,裂紋沿與軸線呈45°的兩個方向發(fā)展,最終形成部分鋸齒狀斷面,導(dǎo)致聯(lián)動軸在測試過程中發(fā)生異常疲勞斷裂。


三、結(jié)論和建議


該型20CrNiMo鋼聯(lián)動軸壽命試驗發(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別過高導(dǎo)致的。因此,在以后的生產(chǎn)過程中,應(yīng)加強對原材料非金屬夾雜物的檢測,嚴(yán)格執(zhí)行驗收標(biāo)準(zhǔn),見表2。通過上述措施,可解決聯(lián)動軸在壽命測試時發(fā)生異常斷裂的問題。

表2  非金屬夾雜物驗收標(biāo)準(zhǔn)  (級)

參考文獻:略。

作者:闞亞威

單位:鎮(zhèn)江液壓股份有限公司


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