1.宏觀檢查

齒輪軸外觀如圖1所示，肉眼觀察未見異常。

對缺陷零件進(jìn)行熒光磁粉探傷檢查，在局部齒根處可見細(xì)微的熒光磁粉顯示。缺陷顯示位置相同，形貌相似，如圖1、圖2所示。其余表面均未發(fā)現(xiàn)磁痕顯示。


裂紋在齒輪軸端面的分布位置如圖4所示。齒輪軸有4個齒根分別存在1條裂紋，編號分別為1#～4#裂紋。


1#～4#裂紋外觀比較相似，2#裂紋和3#裂紋如圖5、圖6所示，裂紋由齒根表面沿齒輪軸徑向和軸向向內(nèi)部擴(kuò)展，沿徑向較平直，沿軸向較曲折。其中，1#裂紋的徑向長度為0.358mm、軸向長度為1.295mm;2#裂紋的徑向長度為0.354mm，軸向長度為1.30mm;3#裂紋的徑向長度為0.334mm，軸向長度為1.208mm;4#裂紋的徑向長度為0.302mm，軸向長度約為1.20mm。


2.斷口觀察

人為打開2#、3#裂紋，對裂紋斷口進(jìn)行宏微觀觀察。

2#、3#裂紋斷口形貌相同。裂紋斷口宏觀較平整、未見明顯塑性變形，源區(qū)位于齒根端角(齒根與橫截面相交的端角)表面、小線源特征;齒根與橫截面相交的端角不夠圓滑，且加工面較粗糙，形貌如圖7、圖8所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)主要為沿晶形貌，局部為韌窩形貌，如圖9、圖10所示;人為打斷區(qū)為韌窩形貌，如圖11所示。




3.金相檢查

沿齒輪軸橫剖面制取試樣，進(jìn)行金相檢查。齒輪軸滲層區(qū)及基體組織均未見異常，如圖12～圖14所示。按照HB5492—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金相組織分級與評定》，滲層區(qū)碳化物：1級，殘留奧氏體及馬氏體1～2級，心部基體組織為回火馬氏體+少量鐵素體，1～2級。均合格。裂紋外闊里細(xì)，裂紋兩側(cè)殘留奧氏體量略有增加，裂紋處顯微組織如圖15所示。




4.硬度檢測

在齒輪軸橫剖面制取的試樣上進(jìn)行顯微硬度(滲層深度)和洛氏硬度測量，結(jié)果分別如表1～表3所示，齒輪軸的心部硬度約為41HRC，齒底表面硬度約為690HV(按GB/T1172—1999《黑色金屬硬度與強(qiáng)度換算值》換算為洛氏硬度為59.6HRC，與技術(shù)要求的≥60HRC的下限接近(略低，與裂紋的產(chǎn)生關(guān)系不大)，無裂紋的齒齒底滲層深度約為0.37mm，滿足≥0.2mm要求。可見，齒輪軸的滲層、硬度、組織均符合技術(shù)條件要求。然而，裂紋附近齒底的顯微硬度明顯高于相同位置的非裂紋區(qū)，可見裂紋兩側(cè)有增碳增氮現(xiàn)象。




5.分析與討論

本批齒輪軸共113件，成品經(jīng)磁粉探傷檢測只發(fā)現(xiàn)了4件零件的局部齒根處存在缺陷顯示。裂紋的位置和形貌相似。裂紋呈放射狀、分布于齒輪軸的一半圓周上，而另一半圓周及其余表面均無缺陷顯示。取其中的一件解剖進(jìn)行原因分析。

齒輪軸裂紋宏觀斷口較平整，未見明顯塑性變形，源區(qū)位于齒根端角(齒根與橫截面相交的端角)表面、小線源特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)主要為沿晶形貌，局部為韌窩形貌，人為打斷區(qū)為韌窩形貌。上述特征表明齒輪軸裂紋的性質(zhì)為沿晶脆性裂紋。

齒輪軸的滲層深度、硬度和顯微組織均未見異常，也均符合技術(shù)條件要求。齒輪軸的基體組織未見異常，心部硬度符合技術(shù)條件要求，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)夾渣物等冶金缺陷。表明齒輪軸裂紋的產(chǎn)生與熱處理質(zhì)量和基體材質(zhì)關(guān)系不大。

齒輪軸顯示的4條裂紋呈放射狀分布于一半圓周位置(見圖4)，裂紋較細(xì)小，徑向長度相近(0.302～0.358mm)，基本位于滲層區(qū)內(nèi)(滲層深度約為0.37mm)。裂紋附近的顯微硬度明顯高于相同位置的非裂紋區(qū)，裂紋兩側(cè)的顯微組織中殘留奧氏體量有所增多等表明，裂紋兩側(cè)有增碳增氮現(xiàn)象。

齒輪軸的最終熱處理工序安排為：碳氮共滲→高溫回火→機(jī)加工→淬火→負(fù)溫時效→正溫時效→吹砂→精加工。工藝路線中未安排校直工序，但在高溫回火工序后要求檢測 “各外圓跳動≤0.1mm”。經(jīng)了解，現(xiàn)場生產(chǎn)中，碳氮共滲+回火后會有個別零件外圓跳動較大，超出公差要求，加工者會挑出來對其進(jìn)行校直。若校直過程控制不當(dāng)，會在三點(diǎn)彎曲校直時拉應(yīng)力最大的下半方外圓上產(chǎn)生裂紋。單從三點(diǎn)彎曲校直的受力來分析，裂紋不應(yīng)沿著軸向開裂。但是由圖5b和圖7可見，裂紋源區(qū)過渡不夠圓滑，加工刀痕粗糙。改變了零件表面的應(yīng)力分布。加之滲碳層組織的變形能力較差，就在應(yīng)力較大齒根端角處形成了較細(xì)小的裂紋。在隨后的淬火工序，為防止原滲碳層表面脫碳，淬火在碳勢約為0.88%的保護(hù)性氣氛中保溫約1h，此過程會使已形成的校直裂紋兩側(cè)有輕微的滲入現(xiàn)象，導(dǎo)致裂紋兩側(cè)的硬度和顯微組織發(fā)生了改變。因此，該批產(chǎn)品內(nèi)少量零件上探傷顯示的缺陷為校直裂紋。

針對以上問題，我們對熱處理工藝進(jìn)行了細(xì)化，要求在淬火前操作者對來件的外圓跳動進(jìn)行分檢。跳動超差嚴(yán)重的直接報(bào)廢，輕微的進(jìn)行校直。所有經(jīng)過校直的零件必須進(jìn)行去應(yīng)力退火和磁粉探傷，防止校直缺陷件流出，取得了良好成效。

6.結(jié)語

(1)齒輪軸磁粉探傷顯示由裂紋引起，裂紋的性質(zhì)為沿晶脆性裂紋。

(2)齒輪軸裂紋的產(chǎn)生，是因?yàn)閭€別零件碳氮共滲后變形超差，增加了校直工序。而由于校直過程控制不當(dāng)，所以產(chǎn)生了應(yīng)力裂紋。