摘要：变速箱第二轴在总装时发生批量断裂，断裂部位均在轴端螺纹收尾根部。采用化学成分分析、金相检验以及断口宏、微观分析等方法，对该轴的断裂原因进行分析。结果表明，该零件在热处理过程中，因超音频回火工艺控制不当，以及机加工缺陷引起的应力集中是导致断裂的主要原因。提出了改进措施。

    关键词：显微组织;超音频回火;应力集中;马氏体

    1情况简介

    变速箱第二轴经热处理后，在总装时发生批量断裂，断裂部位均发生在轴端螺纹收尾根部处，。该轴材料为20CrMo，生产工艺:下料→锻造→正火→机加工→渗碳淬火→回火(180～200℃)→抛丸→校直→局部(螺纹部)超音频回火(560～580℃)。

 

    工件的技术要求:有效渗碳层深度为0.7～1.1mm，表面硬度58～64HRC，心部硬度26～42HRC;对螺纹部位采用超音频回火工艺以降低硬度。

    2理化检验

    2.1化学成分分析

    在断裂件上取样进行化学成分分析，检测结果(质量分数)见表1。可见其成分符合GB/T3077-1999的要求。

    2.2宏观断口分析

    断裂位置位于螺纹收尾根部与花键轴的连接处。经观察，该部位表面肉眼可见明显的机械加工刀痕，断口边缘呈锯齿状。

 

    2.3微观断口分析

    断口经扫描电镜观察，裂纹源均起源于螺纹根部，沿周向呈现为多源，每个裂纹源处有明显台阶。断口呈沿晶解理断裂，为脆性断口特征，并有大量二次裂纹。

 

    2.4金相检验

    在断口处制取金相试样，光学显微镜下观察，圆周螺纹上有多条由外向里的裂纹，裂纹较平直，尾部尖细，两侧无脱碳。

 

    将断轴螺纹沿轴向切开，检查经超音频回火后的金相组织，发现存在一个宏观的月牙形区域，该区组织为淬火马氏体，而螺纹两端为回火区。

 

    2.5硬度测试

    经测试，月牙形区域中部硬度为570HV，螺纹两端硬度为514～533HV，心部硬度为35～36HRC。

    3结果分析

    根据成分分析可知，该零件所用材料化学成分符合GB/T3077-1999中20CrMo钢的要求，可排除因材料错用而导致断裂的因素。

    该批零件经渗碳淬火后，在螺纹部进行超音频回火，以降低其硬度。但金相组织及显微硬度测定结果均表明，此回火过程，实际上是在螺纹部位又进行了一次淬火，这必然加大了该处的组织应力和热应力。

    从断裂的部位看，断裂均发生在螺纹收尾的根部与花键轴的连接处。由于该处没有加工退刀槽，是机加工的应力集中处;同时该部位也是超音频回火结束部位，是热应力与组织应力集中区，从裂纹的形态上看系冷应力裂纹。

    4结论

    (1)该轴的断裂是由于超音频回火温度失控，使回火过程实际上变成了淬火过程，使螺纹部位处于高应力状态。

    (2)超音频回火后产生的裂纹属冷应力裂纹或延迟裂纹，是由于机加应力与淬火组织应力集中所造成。

    5工艺改进措施

    (1)降低超音频回火温度，延长加热时间。

    (2)提高螺纹根部的粗糙度，避免尖锐的刀痕出现，同时在螺纹的收尾部设计一个退刀槽，以降低机加工应力。

    (3)将超音频回火区域沿轴花键部延长，避免在螺纹收尾部产生应力集中。

    采取上述措施后，近两年来未发生类似断裂失效事故。