60HP拖拉机动力输出轴断裂原因分析

2014-11-24同济大学经济与管理学院上海200092

金属加工(热加工) 2014年5期

关键词：渗碳图样马氏体

同济大学经济与管理学院（上海 200092）张庆

近期，我公司新研制的60HP两轮驱动拖拉机，在田间作旋耕试验时，动力输出轴发生了4次折断的现象（见图1）。动力输出轴是实现将拖拉机的动力向农机具传递的关键部件，如果该问题不能解决，将影响该型车的研制及投产。

图1

1.背景信息

共断4 次，使用时间及工况见表1。

表1

动力输出轴断时，拖拉机正进行旋耕作业，在农田的中间，未在田头的转弯处（见图 2）。

图2

图样材料技术要求：20NC6或18NCD6、20CrNi3H，硬度为58～61HRC，渗碳深度为0.7～1mm；实际使用材料20MnCr5（化学成分见表2），标准参见 DIN EN 10084，心部硬度为30～45HRC。

表2 20MnCr5化学成分（质量分数）（%）

该拖拉机设计功率为60HP，采用三点液压提升装置。旋耕的特点是负荷波动大，容易产生超载导致断轴。

2.检查及检测

（1）工况检查对现场操作了调查并摄像。经反复观察，拖拉机处于正常操作及工作状态，田间没有发现硬的异物。万向节及传动轴上没有多少缠绕的作物及杂草等非正常异物。

（2）尺寸检查动力输出轴颈处R52mm值（见图3），实物检查为只有32mm，不符合要求。其他实物尺寸与图样相符。

图3

（3）材料检查化学成分检查见表3，检查结果显示，实物与图样标准不符合。

表3 实际检验化学成分（质量分数）（%）

硬度及表面硬度分布检查。表面硬度及分布见表4，可见表面硬度符合图样要求，而渗碳层深度（见表5）不合格。心部硬度见表6，符合要求。

表4 表面硬度检测（HRC）

表5 渗碳层深度检测

图4

表6 心部硬度检测（HRC）

金相检查，渗碳层组织要求为回火马氏体和10%～30%的残留奥氏本组成，实际上没有发现残留奥氏体（见图5），不合格。

图5

心部组织应为回火马氏体及少量的非马氏体组织，实际上出现了大量的非马氏体组织、贝氏体及铁素体（见图6）。

图6

对断口部位检查，断口见图7a，裂纹源部位见图7b，裂纹源尾部见图7c。

图7

3.结果分析

（1）背景、工况分析公司其他产品的动力输出轴在旋耕作业时也出现过折断现象，这与田间作业时负荷大、复杂的特点直接相关。本次田间作业环境、地况正常，且动力输出轴和提升装置位置的使用情况与其他机型差别不大，不应是折断的主要因素。

（2）尺寸分析动力输出轴、万向节和提升装置与农机安装具的尺寸及设计是否正确，没有得到国外设计者的反馈信息及确认，有待于求证。

（3）材料分析供应商使用了不同的材料。根据EN10084-2008，材料交付使用情况的渗碳层深要求，图样材料牌号 20NC6（等价材料为18NiCr5-4）与 20CrMn（等价材料 20MnCr5）淬硬性及淬透性相当，见表7。实物材料的淬硬性及淬透性能符合图样材料要求。

（4）硬度分析表面硬度、心部硬度及其分布符合要求，而渗层深度超差仅0.08mm，不是动力输出轴折断原因。

表7

（5）金相组织分析渗层残留奥氏体含量很少，远低于图样要求。对于残留奥氏体含量，国内热处理同行一般认为可以越少越好，而且可以采取措施来减少它。所以，对这个数值有争议，但是其不是造成动力输出轴断的主因。

心部组织，非马氏体含量较多不合适，因为心部硬度是动力输出轴强度的决定因素。

（6）断口分析宏观断口粗糙，是一次性折断，非疲劳失效；在SEM视场内，裂纹源位置出现的是沿晶断裂形态，在裂纹源尾部出现的主要是韧窝形态。而且，从化学成分和SEM图片看，材料纯净度高，夹杂物少，未见异常。

（7）加工工艺流程为：材料检验→外协检验→正火→粗车→精车→滚花键→滚矩形花键→铣槽→钻油孔→热处理→热检→抛丸→研孔→校直→攻螺纹→磨外圆→成品。生产工艺安排是标准的。

（8）热处理工艺见图8。针对热处理结果，840℃等温和80℃油冷，可以作些调整。

图8

（9）综合分析动力输出轴的使用工况条件没有发现异常，在正常作业中，一次性出现了扭断，没有疲劳；旋耕的负荷大，需要内在综合性能更好；动力输出轴的强度应该再加强些，从扭断情况及金相图片看，问题可能出在针对现有材料的热处理组织上，需要以综合性能好的板条马氏体为主，非马氏体组织再少些；材料是典型的低碳马氏体钢，应该通过热处理充分得到该钢的设计组织及材料性能；万向节、三点悬挂等安装位置、尺寸的影响因素，没有得到设计者的分析确认。

从目前掌握情况看，动力输出轴的断裂主要是热处理工艺引起的。