锻造齿轮传动轴内部缺陷的超声检测

2018-09-19，

无损检测 2018年9期

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(中信重工机械股份有限公司，洛阳 471039)

齿轮轴是传动机构中的重要零件，担负着传递作用力和运动的作用。目前,对齿轮轴的检测程序一般是：超声检测人员通过检测获得相应的参数,并依据检测获得的参数对照相关质量验收标准，对此类齿轮轴进行合格与否的判定；而对于缺陷性质的分析，一般从产生的原因及波形特征方面来分析[1]。

在某些情况下，特定的缺陷需要特定的超声检测参数来判别缺陷的危害程度。笔者通过对一个具体齿轮轴的缺陷进行超声检测分析，来认识缺陷特性与参数的联系。

图1 齿轮轴外观

在齿轮轴的制造过程中，有一类齿轮传动轴(见图1)在热处理后经超声检测发现，在轴的最大直径中心部位有缺陷。

由于齿轮轴的最大直径约为φ1 000 mm，在使用中起着重要的作用，因此对缺陷进行正确分析与判断，不仅有利于齿轮轴合格与否的判定，而且对于制造工艺的改进，减少废品的产生都有重要意义。

1 齿轮轴的超声检测

对齿轮轴进行超声检测时，发现在完好部位出现多次底面回波，且无缺陷波显示(见图2)；在有缺陷部位，即齿轮轴的中心部位，出现了明显的缺陷回波，并伴随着底波完全消失(见图3)。

图2 无缺陷部位底波显示

图3 缺陷部位的波形显示

超声波检测时发现缺陷的基本情况(见图4)为：在图4所示A段缺陷的最大当量为φ7.5 mm，一般在当量φ2～5 mm之间，缺陷位于轴的中心φ100 mm左右，缺陷对底波的影响最严重处，底波降低量大于26 dB。

图4 缺陷分布位置示意

2 超声检测结果分析

超声检测发现的缺陷已经超出了相关质量验收标准的要求，但对于缺陷性质的判定以及产生原因还需要进一步分析。

制造此齿轮轴的前期工艺流程为：浇铸钢锭→锻造→粗加工→超声波检测→调质热处理→半精加工→超声波检测→发现问题。

可能产生缺陷的阶段有：浇铸钢锭、锻造和调质热处理阶段，但是在粗加工后的超声检测阶段没有发现问题。因此，产生缺陷的阶段就有可能是调质热处理。如果对粗加工后的超声检测结果产生怀疑，那么，缺陷产生阶段将扩大到粗加工前。

对缺陷分析更直接和有效的方法是将缺陷解剖并进行金相分析。考虑到齿轮轴的尺寸和缺陷分布的特点，采用直径约为200 mm的试棒，并对试棒进行解剖，图5为试棒外观及对试棒进行超声检测的波形。

图5 试棒外观及其超声检测波形

将试棒沿垂直于轴向方向锯开，可以看到如图6(a)所示的开口性缺陷。对缺陷进行超声检测，得到如图6(b)所示的波形。从直观上看缺陷可能是缩管或裂纹，还需要进一步取样进行金相分析。

图6 解剖后缺陷外观及缺陷波形

3 试样金相检验结果及分析

3.1 试样金相检验结果

(1) 在缺陷处切取试样，其裂口外观及放大照片如图7所示。沿图7上标识的直线开槽压断口，试样断口外观及其放大照片如图8所示。可见，压断部位断口正常，没有发现白点、夹杂、裂纹等缺陷，在孔洞附近未发现夹杂物和氧化皮等异物，断口表面粗糙不平。

图7 试样裂口外观及其放大照片

图8 试样断口外观及其放大照片

(2) 将试样磨制、抛光后，在金相显微镜下观察夹杂物，按标准GB/ T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定》对其评级，试样的缺陷部位与正常部位的夹杂物均不超标；把试样浸蚀后，在显微镜下观察，其组织为珠光体+铁素体+索氏体。

图9 裂口处韧窝形貌

图10 粗糙的内裂断口形貌

(3) 在裂纹处取试样，置于电镜下观察，内部裂纹表面较粗糙，高倍下观察其全部为韧窝状断口，没有光滑自由表面(见图9，10)。在室温下，压断断口表面较平坦，主要为解理、准解理断口，少量韧窝断口(见图11，12)。

图11 室温下的压断断口形貌

图12 解理断口形貌

3.2 试样金相检验结果分析

(1) 齿轮轴心部位缺陷位置表面粗糙不平，且无氧化，并在电镜下观察发现断口全部为韧窝状，没有自由表面存在。宏观观察和微观分析也没有发现非结晶条带，说明该孔洞缺陷并非晶间疏松、缩孔、缩管残余、二次缩管等缺陷，而是在后期处理过程中产生的裂纹。

(2) 该裂纹原始表面粗糙，电镜下观察断口完全呈现韧窝状，而压断断口则呈脆性断裂的解理状和少量韧窝状，说明原始裂纹是在较高温度下形成的。

(3) 大型轴类锻件在热处理冷却过程中，活件表层和心部分别先后冷却，在冷却后期外部金属已经冷却至低温并发生组织转变，形成强度和硬度较高的外壳，而这时心部金属的温度还高于外部；当心部金属继续冷却时，其体积将随之收缩，而此时外层金属所形成的坚硬外壳将阻碍心部金属的收缩；从而在活件的中心部位形成以热应力为主的3向拉应力，其最大拉应力作用在截面的中心处(活件长度方向和直径方向的中心部位)。

有时心部金属在这种3向拉应力的作用下，其自身强度将不足以抵抗巨大的拉应力，从而发生开裂[2]。因此对于大型工件，有时即使在缓速中淬火也会有裂纹产生。

(4) 另外，本件齿轮轴心部组织存在较严重的微观偏析现象。该组织偏析的存在显著降低了材料的强度，特别是在冷却过程中裂纹通常沿材料中的薄弱环节扩展。

(5) 由于大型锻件心部组织在淬火冷却时通常不发生马氏体相变，因此具有较好的塑性变形能力；活件裂开后，随着应力的释放，裂纹扩展的势头被显著遏制并停止扩展；同时裂口两边将在拉应力消失后发生回复性的塑性变形，从而导致裂口外观呈现孔状而非通常的扁平状。

(6) 此外，解剖的齿轮轴内部裂纹走向为与轴向呈约45°角的纵向裂纹，而解剖方向为横向，内部裂纹扩展方向示意如图13所示，从而导致在解剖所得截面上直接看到的断面两边不完全对称，类似于孔洞的现象。