动力箱传动轴失效分析

2018-03-26平德纯

建筑机械 2018年3期

关键词：渗氮传动轴晶粒

平德纯，张刚，刘毅，李俊

（徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏徐州 221004）

传动轴是传递扭矩的关键元件，动力箱通过传动轴将扭矩传递至工作装置，实现钻削施工。某新品在做工业性考核时，动力箱传动轴发生了断裂，如图1所示。

图1 现场断裂的传动轴

1 断裂件检测及故障原因分析

1.1 设计技术要求

传动轴材料为42CrMo，调质处理，硬度280～320HBW。表面整体氮化处理，渗氮层0.20～0.25mm，表面硬度550～650HV。综合性能及显微组织符合相应国家标准。

1.2 断面宏观分析

断面宏观照片如图2a-g所示，

断面大部分为45°的锥面，外表面起裂点均产生在螺纹根部，内壁起裂点均产生在较深的加工刀痕处。断面形成过程为：传动轴在扭力作用下，先从A区内壁刀痕处与外壁的螺纹根部起裂，以最大切应力方向向内扩展，断面与轴向垂直，扩展的深度不超过1.2mm，在扭力增大后，以最大正应力方向扩展〔1〕，断面与轴向呈45°，如图2b、e所示。内外裂纹没有完全重合，剩余壁厚约1/4后沿扭转力方向裂纹快速扩展，形成B区，如图2c所示。实际上C区与B区都是裂纹从A区向二侧扩展形成的，各区可看到明显的快速断裂的粗大人字纹放射线。因不在一个台阶上，所以当B区与C区汇合时不在一个平面上，正好相差了一个螺纹的高度，最后撕裂在一个台阶上形成了D区。

A、B区的断面与轴向呈45°，C区断面与轴向基本垂直，所以整个断口上的断面为多个且有高度差。断面的形貌也有差别，内壁与外壁的裂纹源处为结晶状，可看到金属光泽的小晶粒，A区从外向内扩展的为细纤维状，如图2f所示，其它区域为粗大的人字纹放射线。因不是一次性的断口，断裂形式为疲劳断裂，根据传动轴的受力情况可初步确定为高应力低周扭转疲劳断裂〔2〕。

1.3 显微分析

在A区、B区分别取样，沿试样纵截面观察其显微组织。按常规制样方法制样，经腐蚀后试样表面出现明显的黑白条带，心部显微组织可看到偏析、疏松和树枝晶等不均匀的组织分布现象，心部组织为魏氏组织［3］（浅色区）+索氏体（深色区），如图3所示。

图2 传动轴断面宏观照片

图3 试样显微组织形貌图

将试样进行奥氏体晶粒度的显示实验及晶粒度测量，显微组织如图4所示。依据GB/T 6394-2002 《金属平均晶粒度测定法》，按定量金相原理进行晶粒度测量。由于晶粒大小非常不均匀，图4a所示晶粒较大者2～3级，图4b所示晶粒较小者7～8级，所占比例很少，奥氏体晶粒的等轴性很差，说明调质前的材料锻打不充分，锻后正火不充分〔4〕。

另外，从试样的表层组织可以看到，零件表面的渗氮层组织分布不均匀，有些区域白亮层已脱落。如图5a所示，表面渗氮层组织为含氮马氏体+铁素体，有脉状分布的氮化物。如图5b所示，部分区域有白亮层〔5〕但不均匀、不连续，金相法测量渗氮层深度约为0.369～0.395mm。白亮层厚度不均匀在5～50μm。