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后輪軸是摩托車的重要零件，工件材料為20CrMo鋼。工件加工流程為：下料一鍛造一正火一機(jī)加工一中頻感應(yīng)加熱設(shè)備熱處理一噴丸一磨削一成品。要求熱處理層厚度為0.3-0.5mm，表面硬度為53-63HRC，心部硬度為26～43HRC。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，若干后輪軸出現(xiàn)斷裂失效。
檢驗(yàn)分析取自3件不同斷裂形式的后輪軸，第一件軸斷裂于齒部位，其斷口平齊、垂直于軸線，斷口為灰色；該工件有多個(gè)齒在與軸線成450方位發(fā)生崩齒，從崩齒處發(fā)出多條放射線條紋，表明崩齒處為斷裂源，斷口呈脆斷特征。第二件軸在軸上較大臺(tái)階處斷裂，斷口細(xì)致，有皿狀形貌特征，放射線從圓周向中心收斂，表明裂紋從四周向中心擴(kuò)展，斷裂于軸心部；斷裂區(qū)呈半圓形，為粗糙脆性斷口形貌。第三件軸也在齒部斷裂，麻花狀斷口，斷口與軸線呈450，斷口上放射線在齒根處收斂；第三件軸另一側(cè)在齒根斷裂，表面呈剝殼狀特征，并出現(xiàn)重度擦傷，有些齒上發(fā)現(xiàn)與軸線約45度方位產(chǎn)生崩齒與微裂紋缺陷。掃描電鏡微觀分析發(fā)現(xiàn)，3根軸斷裂形式雖異，但微觀形貌有共同點(diǎn)，即表層為沿晶或沿晶+解理混合斷裂，而心部呈解理十韌窩混合型斷裂。如一件軸斷裂源位于輸出端齒部崩齒部位，齒部呈沿晶斷裂；其余齒部呈解理+局部沿晶混合型斷裂，心部特征為以解理斷裂為主，有少量韌窩。后輪軸試件金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬夾雜物為粗D4級；齒部中頻感應(yīng)加熱設(shè)備熱處理層厚度為0.7mm。掃描電鏡微觀分析發(fā)現(xiàn)，工件表層碳氮化合物厚度約為25-30p.m，呈大片連續(xù)殼狀或半網(wǎng)狀分布，同時(shí)有許多黑色疏松孔洞及微裂紋，具有內(nèi)氧化恃征。檢驗(yàn)表明，共滲組織是粗大針狀馬氏體+較多殘留奧氏體，評定級別為6級。掃描電鏡下可見晶界上有斷續(xù)網(wǎng)狀微小裂紋，工件心部組織為板條馬氏體+鐵素體+少量上貝氏體。觀察發(fā)現(xiàn)個(gè)別齒頂部及齒節(jié)圓處存在細(xì)長狀裂紋。硬度檢測表明，工件表面硬度為62 -63HRC，心部硬度為34- 35HRC，均為技術(shù)要求之上限。
分析認(rèn)為，后輪軸是摩托車動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)的主要承受件，工作中主要承受較高的扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)承受瞬間附加的沖擊載荷作用。因此要求工件強(qiáng)度高的同時(shí)，沖擊韌度也應(yīng)較高。該批軸表面熱處理厚度達(dá)0.7mm，超過技術(shù)要求0.2-0.4mm。對于小模數(shù)齒輪來說，其中頻感應(yīng)加熱設(shè)備熱處理層過深。工件表層呈現(xiàn)大片連續(xù)殼狀或半網(wǎng)狀碳氮化物，出現(xiàn)內(nèi)氧化及大量黑色疏松孔洞缺陷，實(shí)為嚴(yán)重缺陷組織，該組織脆性大，當(dāng)受沖擊載荷作用時(shí)，易于出現(xiàn)崩齒和碎裂．同時(shí)引發(fā)裂紋，導(dǎo)致后輪軸早期出現(xiàn)脆性斷裂，熱處理層過深和脆性組織缺陷是工件失效的主要原因。工件早期失效的第二個(gè)原因是熱處理層組織為粗大針狀馬氏體組織，脆性大，內(nèi)應(yīng)力大，易產(chǎn)生微裂紋。該組織在高倍下發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)狀微裂紋，這使工件晶界處強(qiáng)度明顯下降，在斷口上觀察到沿晶斷裂形貌特征。從以上分析可知，工件熱處理層中碳、氮含量較高，這與熱處理層工藝控制不當(dāng)有關(guān)，應(yīng)從工藝上減少通氨量和保溫時(shí)間。
綜上分析，提出后輪軸工藝改進(jìn)措施如下：(1)減少調(diào)整中頻感應(yīng)加熱設(shè)備熱處理層通氨量，縮短熱處理時(shí)間，以獲得合格的熱處理層組織，不出現(xiàn)粗大缺陷組織和脆性及微裂紋等缺陷，防止產(chǎn)生工件裂紋、裂傾向。(2)嚴(yán)格按工藝要求控制熱處理層厚度，防止出現(xiàn)粗大脆性缺陷組織。采用上述工藝改進(jìn)措施后，后輪軸熱處理質(zhì)量明顯改善，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格，未發(fā)現(xiàn)工件裂紋斷裂缺陷以及失效事故，生產(chǎn)運(yùn)行良好。
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