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【摘 要】变速器输入轴在车削过程中，轴表面时常会存在一条横向旋转裂纹。论文采用化学成分分析、金相检验和断口分析、问题再现等方法对裂纹产生的原因进行探讨、验证，证明了圆钢表层缺陷是引起输入轴产生旋转裂纹的主要原因。
【Abstract】A transverse rotation crack is found on the axle surface during the turning process of the transmission input shaft. The paper uses chemical composition analysis， metallographic examination and fracture analysis and problem reconstruction methods to analyze and verify the causes of the crack. Finally， it is determined that the surface defect of the round steel is the main cause of the rotation crack in the input shaft.
【關键词】裂纹；楔横轧；脱碳；表层缺陷
【Keywords】crack； cross wedge rolling； decarburization； surface defects
【中图分类号】TG115.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）10-0178-02
1 引言
某公司配套的变速器输入轴毛坯粗、精车过程中，发现轴表面存在轴向裂纹。输入轴长360mm，为变径轴，最大直径φ60mm，最小直径φ28mm，毛坯加工余量2.0-3.0mm。裂纹形貌如图1所示，为轴向、围绕轴线呈旋转型裂纹，断续的贯穿于整根轴，深度约1.0mm。该变速箱输入轴毛坯使用20CrMnTiH圆钢，选用楔横轧工艺轧制成型[1]。毛坯轴生产工艺为：锯切下料—中频加热（1140-1200℃）—楔横轧—等温正火（930℃）—校直—抛丸。
2 案例分析及介绍
2.1 检测内容
试样取自渗碳淬火后开裂的裂纹部位，用金相显微镜分析金相组织，用显微硬度计测试硬度，用金相显微镜评级鉴别夹杂物和金相组织。
为查找、验证裂纹形成的原因，对该轴裂纹处进行理化实验、分析。
2.2 理化检验
2.2.1 化学成分分析
在轴裂纹处取样进行化学成分分析，检测结果见表1，可见化学成分符合GB/T5216-2014规定的20CrMnTiH保证性淬透性钢的化学成分要求。
2.2.2 金相检验
对失效变速器输入轴裂纹位置纵向切割，截面经抛光、硝酸酒精溶液腐蚀后显示其组织形貌，裂纹与表面呈约50°角，深度为1.0mm，裂纹表面覆盖氧化皮，且裂纹内侧基体上有明显脱碳现象（如图1）。金相组织按照GB/T13320-2007第二评级图评定为2级；低倍组织按照GB/T1979-2001中的第一评级图进行评定，评定结果为低倍组织为一般疏松0.5级，未见其他低倍组织缺陷，满足技术要求；进一步观察试样显微组织，发现轴的裂纹区域存在氧化物外，其余部位组织夹杂物级别均符合技术要求；对试样硬度进行检测，要求150～190BH，实测在硬度为160HB。符合相应技术要求。
该裂纹扩展途径较为规则，高倍下可见裂纹表面附有两层明显氧化皮，同时裂纹内侧有明显的脱碳，这是锻造裂纹的重要特征[2]。
2.3 分析及验证
2.3.1 裂纹分析
试样金相图片显示，裂纹扩展途径规则、裂纹形貌粗壮，无明显裂纹分支及明细尖端，比较圆钝。裂纹表面附着氧化皮，且裂纹内侧基体上有明显脱碳，该裂纹符合热锻裂纹特征[3]。
2.3.2 工艺分析
热锻裂纹产生的原因基本可分为：过热、过烧、原材料宏观缺陷遗传等。过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，甚至出现δ-铁素体相，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的韧性降低，锻造成型或轧制过程中易出现沿晶开裂；过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧，钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废；根据轧制工艺规范，棒料加热温度范围在1140～1200℃，中频加热与轧制工序选用自动生产线来完成，中频炉出口处有红外测温仪对出炉棒料温实时监测，并通过三分选功能对棒料状态进行选择[4]。中频加热及轧制过程温度可控，不会出现因温度异常波动产生的材料蹦碎、细小裂纹等异常问题，且该类现象与事实不符。故结合裂纹的形貌特征推断为原材料存在划痕等宏观缺陷，经锻打、轧制后，缺陷放大、变形[5]。
2.3.3 工艺验证
为验证分析结论，特模拟原材料的失效状态，用线切割在同规格的坯料外圆，延轴向方向切割贯穿整段轴的宽1mm、深1mm的“裂纹”，经中频炉加热至1140～1200℃后进行轧制，在同等轧制工艺环境下进行轧制后磁粉探伤，问题再现如图3。
3 结论与建议
毛坯轧制、热锻过程中，因原材料原始组织缺陷、锻造过程中温度控制不当等均易产生锻造裂纹或裂纹源，在渗碳淬火过程中，将裂纹源放大出现淬裂，或在整车使用过程中，因齿轮冲击造成断齿、断轴。
经对该裂纹时间进行分析，裂纹产生原因为：原材料存在表面划伤，经旋转轧制塑性变形过程中，将表层缺陷扩展于整根轴，形成旋转型裂纹。
建议：
①钢厂在棒料轧制过程中，需提高材料表层质量控制能力，锻造厂在原材料入厂时，加强外观质量检测频次，原材料粗车外圆，切除表层缺陷；②毛坯在轧制、锻造过程中严格控制锻造温度，并实施在线监控，确保零件温度在工艺要求范围内；③产品渗碳淬火完成后进行磁粉探伤或超声波检测，确保下线、装箱件无裂纹缺陷。
【参考文献】
【1】蔡朝华，裴建华，韩政，等.20CrMnTiH齿轮轴脆断级裂纹原因分析[J].山东冶金，2012，34（6）：45-47.
【2】杨振恒.锻造工艺学[M].西安：西北工业大学出版社，1986.
【3】任颂赞，叶俭，陈德华.金相分析原理及技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，2013.
【4】孙盛玉.热处理裂纹分析图谱[M].大连：大连出版社，2003.
【5】金荣植.齿轮的热畸变、裂纹与控制方法处理[M].北京：机械工业出版社，2014.
【Abstract】A transverse rotation crack is found on the axle surface during the turning process of the transmission input shaft. The paper uses chemical composition analysis， metallographic examination and fracture analysis and problem reconstruction methods to analyze and verify the causes of the crack. Finally， it is determined that the surface defect of the round steel is the main cause of the rotation crack in the input shaft.
【關键词】裂纹；楔横轧；脱碳；表层缺陷
【Keywords】crack； cross wedge rolling； decarburization； surface defects
【中图分类号】TG115.2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）10-0178-02
1 引言
某公司配套的变速器输入轴毛坯粗、精车过程中，发现轴表面存在轴向裂纹。输入轴长360mm，为变径轴，最大直径φ60mm，最小直径φ28mm，毛坯加工余量2.0-3.0mm。裂纹形貌如图1所示，为轴向、围绕轴线呈旋转型裂纹，断续的贯穿于整根轴，深度约1.0mm。该变速箱输入轴毛坯使用20CrMnTiH圆钢，选用楔横轧工艺轧制成型[1]。毛坯轴生产工艺为：锯切下料—中频加热（1140-1200℃）—楔横轧—等温正火（930℃）—校直—抛丸。
2 案例分析及介绍
2.1 检测内容
试样取自渗碳淬火后开裂的裂纹部位，用金相显微镜分析金相组织，用显微硬度计测试硬度，用金相显微镜评级鉴别夹杂物和金相组织。
为查找、验证裂纹形成的原因，对该轴裂纹处进行理化实验、分析。
2.2 理化检验
2.2.1 化学成分分析
在轴裂纹处取样进行化学成分分析，检测结果见表1，可见化学成分符合GB/T5216-2014规定的20CrMnTiH保证性淬透性钢的化学成分要求。
2.2.2 金相检验
对失效变速器输入轴裂纹位置纵向切割，截面经抛光、硝酸酒精溶液腐蚀后显示其组织形貌，裂纹与表面呈约50°角，深度为1.0mm，裂纹表面覆盖氧化皮，且裂纹内侧基体上有明显脱碳现象（如图1）。金相组织按照GB/T13320-2007第二评级图评定为2级；低倍组织按照GB/T1979-2001中的第一评级图进行评定，评定结果为低倍组织为一般疏松0.5级，未见其他低倍组织缺陷，满足技术要求；进一步观察试样显微组织，发现轴的裂纹区域存在氧化物外，其余部位组织夹杂物级别均符合技术要求；对试样硬度进行检测，要求150～190BH，实测在硬度为160HB。符合相应技术要求。
该裂纹扩展途径较为规则，高倍下可见裂纹表面附有两层明显氧化皮，同时裂纹内侧有明显的脱碳，这是锻造裂纹的重要特征[2]。
2.3 分析及验证
2.3.1 裂纹分析
试样金相图片显示，裂纹扩展途径规则、裂纹形貌粗壮，无明显裂纹分支及明细尖端，比较圆钝。裂纹表面附着氧化皮，且裂纹内侧基体上有明显脱碳，该裂纹符合热锻裂纹特征[3]。
2.3.2 工艺分析
热锻裂纹产生的原因基本可分为：过热、过烧、原材料宏观缺陷遗传等。过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，甚至出现δ-铁素体相，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的韧性降低，锻造成型或轧制过程中易出现沿晶开裂；过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧，钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废；根据轧制工艺规范，棒料加热温度范围在1140～1200℃，中频加热与轧制工序选用自动生产线来完成，中频炉出口处有红外测温仪对出炉棒料温实时监测，并通过三分选功能对棒料状态进行选择[4]。中频加热及轧制过程温度可控，不会出现因温度异常波动产生的材料蹦碎、细小裂纹等异常问题，且该类现象与事实不符。故结合裂纹的形貌特征推断为原材料存在划痕等宏观缺陷，经锻打、轧制后，缺陷放大、变形[5]。
2.3.3 工艺验证
为验证分析结论，特模拟原材料的失效状态，用线切割在同规格的坯料外圆，延轴向方向切割贯穿整段轴的宽1mm、深1mm的“裂纹”，经中频炉加热至1140～1200℃后进行轧制，在同等轧制工艺环境下进行轧制后磁粉探伤，问题再现如图3。
3 结论与建议
毛坯轧制、热锻过程中，因原材料原始组织缺陷、锻造过程中温度控制不当等均易产生锻造裂纹或裂纹源，在渗碳淬火过程中，将裂纹源放大出现淬裂，或在整车使用过程中，因齿轮冲击造成断齿、断轴。
经对该裂纹时间进行分析，裂纹产生原因为：原材料存在表面划伤，经旋转轧制塑性变形过程中，将表层缺陷扩展于整根轴，形成旋转型裂纹。
建议：
①钢厂在棒料轧制过程中，需提高材料表层质量控制能力，锻造厂在原材料入厂时，加强外观质量检测频次，原材料粗车外圆，切除表层缺陷；②毛坯在轧制、锻造过程中严格控制锻造温度，并实施在线监控，确保零件温度在工艺要求范围内；③产品渗碳淬火完成后进行磁粉探伤或超声波检测，确保下线、装箱件无裂纹缺陷。
【参考文献】
【1】蔡朝华，裴建华，韩政，等.20CrMnTiH齿轮轴脆断级裂纹原因分析[J].山东冶金，2012，34（6）：45-47.
【2】杨振恒.锻造工艺学[M].西安：西北工业大学出版社，1986.
【3】任颂赞，叶俭，陈德华.金相分析原理及技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，2013.
【4】孙盛玉.热处理裂纹分析图谱[M].大连：大连出版社，2003.
【5】金荣植.齿轮的热畸变、裂纹与控制方法处理[M].北京：机械工业出版社，2014.