某轻型卡车前轴疲劳断裂原因分析及改善措施

文／张丽利,孙建,施细妹・南昌齿轮锻造厂

某轻型卡车前轴疲劳断裂原因分析及改善措施

文／张丽利,孙建,施细妹・南昌齿轮锻造厂

张丽利，主要从事金属材料分析、实验室管理及计量校准。

卡车前轴一旦失效，将发生重大人身和设备事故，被列为最重要的保安件。所以必须确保卡车前轴质量。包括外观表面、组织及力学性能。卡车前轴选用的原材料一般为优质碳素结构钢或合金结构钢。在较大型的设备上模锻成形，锻后热处理就是最终热处理，切削加工后，需抽样按汽车行业标准《QC/T 513-1999 汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》做台架试验。

问题描述

某轻型卡车前轴长1270.5mm，宽115mm，高212.5mm，重32kg，材料为45钢，调质处理，表面硬度235～277HB，金相组织：回火索氏体+条状及块状铁素体。

客户完成加工后，抽样5件在台架上进行纵向弯曲疲劳寿命试验（循环次数），其中有1件在48.21万次时就发生断裂现象（要求＞50万次），如图1所示。钢板托下工字断面经检测和分析，断裂处外观良好，无锻造折叠、磕碰损伤等缺陷。

问题排查过程

⑴化学分析。

在失效件上截取一块试样，进行化学分析检验，检验设备为Bruker Q8 MAGELLAN直读光谱仪，从表1检验结果可以看出化学分析检验结果符合材料标准要求。

图1 某轻型卡车前轴锻件简图及断裂口

表1 前轴化学分析检验结果（质量分数/%）

⑵硬度分析。

用布氏硬度计对失效件进行硬度检验，检验结果为：239～242HB，技术要求为235～277HB，符合技术要求。

⑶金相分析。

用光学显微镜对失效件进行金相检验，结果为：表面组织为回火索氏体+网状铁素体，表面0.2mm脱碳（前轴断裂位置）。技术要求：回火索氏体+条状及块状铁素体，不符合技术要求。

⑷用鱼骨图讨论分析。

鱼骨图是一种发现问题“根本原因”的方法，结合本工件特点，从“人、机、料、法、测”五个方面列出可能原因，见图2。

⑸列出原因排查清单，见表2。

综合以上分析结果，决定进行故障再现。

故障再现

项目组对循环水泵坏和淬火水槽盐水温度高2个“疑是”点进行故障再现，确定2个方案：

⑴先正常调质生产3挂后，检测每挂淬火入水前和入水后的盐水温度。

⑵关闭循环水泵，继续调质生产19挂 ，检测每挂盐水浅层及近槽底温度。

图3为前轴锻件在吊挂状态下进行调质处理，入水前和入水后对比图，22个挂件淬火盐水温度检测结果见表3。

表2 原因排查清单

图2 鱼骨图

图3 前轴锻件在吊挂状态下进行调质处理

⑶金相分析如图4所示。

原因分析与改善措施

通过以上故障再现的试验，分析结果如下：

关闭循环水泵后淬火至5小时20分钟第16挂时盐水温度上升至57℃（超过工艺要求50℃），且盐水底面温度始终低于浅层温度。故上面试块的金相为回火索氏体+网状铁素体，下面的试块金相为回火索氏体。可以确定以下3个问题。

表3 淬火盐水温度检测结果

图4 金相取样件及金相结果

⑴生产过程中循环水泵坏，盐水温度升高，造成金相不合格。

⑵造成同根两头金相差异的原因主要为盐水淬火时为吊挂方式从上至下入水，热气从下向上，致上部组织较差于下部组织。

⑶45钢材料淬透性差，很容易产生网状铁素体。

原因分析

⑴因循环水泵在地下，当循环水泵停止工作时，操作工未及时发现；在当班00：00时操作工接班、对盐水温度检测时才发现温度为56.1℃，超过工艺要求，排查原因发现循环水泵坏。

⑵工人只在换班时对盐水温度进行检测，故上个班的换班点检未发现循环水泵异常。

⑶当班未生产，但是操作工未将上个班生产的产品进行隔离检测。

改善措施

⑴更新前轴调质线点检表，增加循环水泵的点检。

⑵生产过程中发现设备故障时前期生产的产品必须进行隔离，对末件进行检测，合格后才能放行，如不合格必须全数返工。

⑶盐水槽配备0～200℃热电偶及仪表，用硬件设备监控盐水槽温度。

⑷更新QPS卡增加对循环水泵的点检，每班用温度计对热电偶进行校准。

（5）更新FEMA，设备故障时，应急反应中增加“生产过程中发现设备故障时前期生产的产品必须进行隔离，对末件进行检测，合格后才能放行，如不合格必须全数返工”。

验证结果

按上述改进措施生产一批前轴，抽检3件，金相组织均为回火索氏体+条块状铁素体，符合技术要求；送5件做台架疲劳寿命试验，纵向弯曲疲劳寿命（循环次数）均达到50万次以上，符合标准。

结论

通过对某轻型卡车前轴疲劳断裂的失效分析，对断裂件金相、硬度、光谱成分进行分析，及故障再现方式查找根本原因，结果显示，由于盐水槽温度偏高，锻件表面淬透层差，造成前轴存在较多网状铁素体，金相不合格，性能下降，不能达到国标要求，提前发生疲劳断裂。