齿轮轴断裂原因分析及预防措施.pdf

第41卷第3期
Vol 41 No
2016年3月
HEAT TREATMENT OF METAI
March 2016
齿轮轴断裂原因分析及预防措施
李平平,陈凯敏,吴建华,徐罗平,王群
(南车腋墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,江苏常州213011)
摘要:从断口形貌、显微纽织、非金属夹杂物、硬度和化学成分入手,对齿轮轴的断裂原因进行了分析,并提出相应预防措施。结果
表明,齿轮轴断裂的主要原因是热点矫直遗留的淬火斑点未进行充分回火和齿轮轴心部出现淬火欠热组织造成。通过改进淬火工
艺、矫直及机加工工序后,齿轮轴再无断裂发生
关键词:齿轮轴;断裂;淬火斑点;欠热组织;措施
中图分类号:TH3.2文献标志码:B文章编号:0254-6051(2016)03-0207-03
Fracture analysis of gear shaft and preventive measures
Ti Pingping, Chen Kaimin, Wu Jianhua, Xu Toping, Wang Qun
(CSR Qishuyan Institute Co., Ild, Changzhou Jiangsu 213011, China
Abstract: racture eason of gear shaft was studied by means of fracture morhology ,microstructure, non-metallic inclusion, harness an
chemical omposition were analyzed, and preentie measures were proo ed. The results show that the main reasons of fracture are the
insufficient tempering of quenching spot left from hot spot straightening and lack of heating microstructure of matrix. After improving o
quenching process, straightening and machining operation the fracture of gear shaft never appear
Key words: gear shaft; fracture; quenching spot; lack of heating microstructure; measures
某单位生产的齿轮轴材质为20 Crmnti钢,加工工
艺为:锻造毛坯一正火一粗车一渗碳、淬火一低温回
火一热点校直一精磨一安装套管(套管材料为45钢
采用过盈配合),装配使用约1年后,数根齿轮轴发生
断裂,且断裂部位均位于钢套端而与齿轮轴接触处。
产品如图1所示,断裂部位见图中箭头处。
图1失效齿轮轴照片
ig. 1 Photo of the failed gear shaft
1理化检验
1.1宏观形貌
齿轮轴断裂处宏观形貌如图2所示,由图2(a)可
见,套管端部采用倒直角方式,断面与套管齿轮轴接
触边界处平齐;由图2(b)可见,断面贝纹线清晰可见
呈典型的单源弯曲疲劳断裂特征,裂源位于箭头处;疲
劳扩展区断细腻、平滑,且瞬断区仅约占整个断口的
图2失效齿轮轴断裂处宏观形貌
10%,说明断裂部位名义应力很小。
Fig 2 Fracture macro-morphologies of failed gear shaft
收稿日期:2015-11-10
1.2微观形貌
作者简介:李平平(1987ー),男,工程师,硕十,主要从事机械零部件失
齿纶轴断口采用无水乙醇超声清洗后放入S-
效分析工作,联系电话:18796932721,E-mlil:lp8610lc@163.com
doi:10.13251/Jj.iss.0254-6051.20106.03.047
3700N扫描电子显微镜进行微观形貌观察。源区疲劳
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弧线清晰可见,见图3(a);裂源附近(2mm处)扩展区
疲劳辉纹密集分布,间距小于0.5um,见图3(b),结
合宏观分析可知该断口属于低应力高周疲劳断裂2。
100um
?4失效齿轮轴非金属夹杂物形貌
Iimm
S370020.0kV103mmx30SE
Fig 4 Non-metallic inclusion morphology of failed gear shaft
(b)
沿图2中虚线处线切割取样通过 Observer.Alm型
显微镜进行金相检査,结果发现,裂源处无夹杂物、夹
渣、疏松等原材料缺陷(见图5(a));组织为针状马氏
体+较多量的残留奥氏体(见图5(b)),值得注意的是,
裂源处组织不易受4%硝酸酒精侵蚀,推测其可能存在
回火不足的现象。远离裂源轴身表面组织为回火马氏
体+极少量的残留奥氏体(见图5(c))。为了进一步证
IS3700 20 Oxv 5 8mm x4 OOK SE
10 um
实上述推测,特对齿轮轴表面及裂源处侵蚀后观察只低
图3失效齿轮轴断口微观形貌
倍形貌,结果显示轴身表面呈灰黑色,裂源处则呈灰白
Fig 3 Tracture micromorphologies of failed gear shaft
色,(见图5(d,e))。众所周知,热点矫直是用氧乙炔火
焰热点(加热)弯曲工件的凸面,利用热胀冷缩的作用使
1.3化学成分检查
弯曲的工件得以矫直,通过图5(f)可知,裂源处为约
在送检齿轮轴上取样进行化学成分检査,结果见dl5mm的灰白色圆斑,应为热点矫直所遗留。
表1,满足CB/T3077~-199合金结构钢》标准要求
此外,采用FM7000型显微硬度计进行硬度测试,
表1失效齿轮轴化学成分(质量分数
结果图6。裂源处表面硬度为810HV(换算为64.
Table 1 Chemical composition of the failed gear
HRC),超出技术规范(58~62HRC),而齿轮轴正常部位
shaft(mass fraction,
表面硬度为700HV(换算为60.0HRC)。可见,通过金相
C
法和硬度法均证明裂源处确有回火不足的现象。
实测值0.200.291.000.0160.0181.110.06
由图6还可知,齿轮轴淬硬层深度约为0.763
H/"F.3077-0.17~0.17~0.80
≤≤1.00~0.04
mm,满足技术要求(0.5~0.8mm)。但心部组织为
1999标准值0.230.371.100.0350.0351.300.10
贝氏体+马氏体+约5%未溶铁素体,为淬火欠热组
织,基体硬度为26.0、26.0、25.5HRC,远低于技术要
1.4显微组织分析
在齿轮轴轴身R/2处取样,依据GB/T10561
求(30~42HRC);基体奥氏体晶粒度为7.5级,局部
2005钢中非金属夹杂物含量的测定方》进行非金属仔在混品现象,见图7
夹杂物评级,结果见表2和图4,表明原材料洁浄度
一般
2失效原因分析
综