1.二軸材料及技術(shù)要求

（1）二軸及其材料

二軸（見(jiàn)圖1），圖號為1701301-950，采用20CrMnTi鋼制造，其材料化學(xué)成分要求執行GB/T 3077—1999《合金結構鋼》標準。

（a）二軸外觀(guān)照片

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（b）二軸斷裂位置示意

圖1 20CrMnTi鋼制二軸

（2）二軸技術(shù)要求

二軸滲碳淬火有效硬化層深度要求為0.9~1.3mm，表面硬度58~63HRC，心部硬度30~40HRC，螺紋部分硬度要求≯45HRC，軸頸處對兩端中心孔的跳動(dòng)值≤0.05mm，馬氏體、殘留奧氏體1~5級，碳化物1~5級。

2.二軸加工工藝流程

二軸加工工藝流程為：下料→鍛造→退火→粗車(chē)→精車(chē)→車(chē)螺紋→插齒→滾花→熱處理→磨削→交驗。

3.熱處理設備與工藝

（1）設備

二軸滲碳、淬火、回火，以及清洗采用UBE1000型密封箱式多用爐生產(chǎn)線(xiàn)。

（2）工藝流程

二軸熱處理工藝流程為：60~70℃前清洗→920℃滲碳、擴散→850℃入油淬火→60~70℃中間清洗→180℃×120min低溫回火→30min噴丸清理→校直→交驗。

（3）熱處理工藝

二軸的滲碳介質(zhì)采用丙烷和甲醇，滲碳時(shí)甲醇的滴量為2200~2500mL/h，丙烷在滲碳、擴散時(shí)設定為5~8L/min，碳勢自動(dòng)控制。其熱處理工藝參數可在PLC系統的程序內設定并進(jìn)行自動(dòng)控制。二軸采用氣體滲碳熱處理工藝，其滲碳熱處理工藝曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，滲碳熱處理工藝參數見(jiàn)表1。

圖2 二軸滲碳熱處理工藝曲線(xiàn)

表1 二軸滲碳熱處理工藝參數

工藝階段 溫度/℃ 碳勢Cp（質(zhì)量分數）（%） 時(shí)間/min ① 860 1.15 0 ② 860 1.15 0.1 ③ 920 1.15 30 ④ 920 1.15 150 ⑤ 920 0.85 60 ⑥ 850 0.85 0.1 ⑦ 850 0.85 20

4.斷裂原因分析

（1）檢驗標準

二軸檢驗執行GB/T 226—1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》、GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》、GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》、QC/T 262—1999《汽車(chē)滲碳齒輪金相檢驗》、GB/T 230.1—2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N標尺）》、GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》等標準。

（2）檢驗設備

斷裂二軸金相檢查采用GX51型日本奧林巴斯金相顯微鏡，滲碳淬火有效硬化層深度測量采用MH-6型維氏硬度儀，表面與心部硬度測試用HR-150A型洛氏硬度計。

（3）二軸校直前彎曲畸變分析

對熱處理前二軸進(jìn)行畸變抽查，二軸徑向跳動(dòng)均在要求的0.03mm范圍內。熱處理后畸變檢查，80%以上二軸的徑向跳動(dòng)＞0.18mm。較常規相比，此批二軸畸變大，校直困難，易于出現斷裂現象。

（4）斷口宏觀(guān)檢查

斷裂部位大部分在圖1b所示位置。觀(guān)察二軸斷口細平，沒(méi)有明顯的塑性變形痕跡，表明失效二軸為脆性斷裂，見(jiàn)圖3。

圖3 二軸斷口形貌

（5）化學(xué)成分分析

采用線(xiàn)切割方式，在二軸斷口附近取樣，做化學(xué)成分分析，檢驗結果見(jiàn)表2，所測得結果符合GB/T 3077—1999對20CrMnTi鋼的成分要求。

表2 斷裂二軸的化學(xué)成分（質(zhì)量分數）（%）

（6）原材料帶狀組織與奧氏體晶粒度檢查

首先是帶狀組織檢查。檢查同批次熱處理前二軸材料的帶狀組織為：珠光體＋鐵素體，較均勻的等軸晶粒分布，按長(cháng)春一汽A08-10.1—2007《結構鋼組織偏析評定（第一部分：帶狀組織）》評定帶狀組織為2級（見(jiàn)圖3），符合帶狀組織≤3級的技術(shù)要求。

圖4 二軸帶狀組織（100×）

其次，奧氏體晶粒度檢驗。檢查同批次熱處理前二軸材料的奧氏體晶粒度，按GB/T 6394進(jìn)行檢驗與評級，奧氏體晶粒度為6級，合格（技術(shù)要求細于等于5級）。

（7）低倍組織檢查

在斷裂二軸上沿垂直于軸向方向截取低倍組織試樣。參照GB/T 226，將試樣進(jìn)行熱酸浸蝕。檢驗結果表明，斷裂二軸鋼材存在并不嚴重的方形偏析。

（8）非金屬夾雜物含量檢查

參照GB/T 10561評定材料的非金屬夾雜物為：A類(lèi)細系1.5級，D類(lèi)細系1.5級，DS類(lèi)1.0級。檢驗結果表明，斷裂二軸材料的夾雜物級別的不良程度較低。

（9）金相檢驗

在斷口附近制取金相試樣，經(jīng)質(zhì)量分數為4%硝酸酒精腐蝕，用金相顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察。表層金相組織為：粗針狀馬氏體＋多量殘留奧氏體＋少量碳化物，見(jiàn)圖3，依據QC/T262評級圖，表層馬氏體、殘留奧氏體為6級，不合格。心部為較粗板條狀馬氏體，見(jiàn)圖4。

圖5 斷裂二軸表層金相組織（450×）

圖6 斷裂二軸心部金相組織（450×）

用維氏硬度儀測得斷口附近有效硬化層深度較為均勻，為1.1~1.3mm，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表3為二軸斷口附近的金相組織及有效硬化層深度與技術(shù)要求對比。

表3 二軸斷口附近的金相組織及有效硬化層度與技術(shù)要求對比

項目 馬氏體、殘留馬氏體/級 碳化物/級 有效硬化層深/mm 實(shí)測 6 1 1.1~1.3 技術(shù)要求 1~5 1~5 0.9~1.3

（10）硬度檢測

采用線(xiàn)切割方式，在二軸斷口附近取樣，用洛氏硬度計檢測其表面硬度和心部硬度。結果表明，心部與表面硬度較均勻，表面硬度在60.5~62HRC之間，合格。心部硬度39.5~41HRC，心部偏高，不合格。

表4為二軸斷口附近硬度與技術(shù)要求對比。

表4 二軸斷口附近的硬度與技術(shù)要求對比

項目 表面硬度HRC 心部硬度HRC 實(shí)測 60.5~62 39.5~41 技術(shù)要求 58~63 30~40

5.斷裂原因分析與對策

（1）原因分析

對二軸材料的化學(xué)成分、低倍組織、非金屬夾雜物、帶狀組織、奧氏體晶粒度檢驗，基本正常。但二軸斷裂處金相組織粗大，馬氏體級別超差，心部硬度偏高，導致二軸材料脆性增加，韌性降低，在對二軸進(jìn)行校直過(guò)程中，首先在強度薄弱處產(chǎn)生斷裂。

金相組織粗大超級，表明二軸在的滲碳熱處理過(guò)程中，可能溫度過(guò)高，使二軸畸變加大，脆性增加，韌性降低。對此，采用標準電位差計及標準熱電偶檢測爐內溫度，在850℃溫度下，測得爐內實(shí)際溫度在870~875℃之間，較工藝要求溫度超高20~25℃，這一檢測結果與金相組織分析結果是一致的。進(jìn)一步檢查爐子控溫熱電偶時(shí)，發(fā)現外管頂部有燒損、穿孔情況，電極（電偶絲）已被滲碳。經(jīng)驗表明，熱電偶電極經(jīng)滲碳變質(zhì)后，溫度儀表指示將產(chǎn)生偏低現象。此時(shí)爐內實(shí)際溫度偏高。這是由于熱電偶電極在爐內被滲碳后，造成電極化學(xué)成分發(fā)生變化，引起熱電偶輸出毫伏值減小，在溫度控制器設定值和熱電偶檢測毫伏值進(jìn)行比較時(shí)，認為溫度低，進(jìn)行輸出功率調整，使溫度達到設定值，這樣爐內實(shí)際溫度已經(jīng)超出設定值，溫度控制器顯示溫度已不是爐內的實(shí)際溫度，造成爐溫偏高。

原設備采用日本OES-107型熱電偶，按日本C-1602-1995標準規定，對S型熱電偶連續使用時(shí)間規定為2000h，而此次失效熱電偶已經(jīng)是超期使用，達到4700h。

通過(guò)以上分析可知，造成此次校直二軸斷裂情況發(fā)生的主要原因是，熱電偶超期使用后失效，造成溫控溫度產(chǎn)生較大的偏差，使爐內實(shí)際溫度超高20~25℃，使二軸淬火溫度超出工藝要求過(guò)多，導致其金相組織粗大、超差，脆性增加，畸變加大，在二軸校直過(guò)程中首先在薄弱處產(chǎn)生斷裂情況。

（2）對策

第一，更換熱電偶。表5為兩種熱電偶對比情況。新更換熱電偶為國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熱電偶，配制奧氏體不銹鋼外殼，以提高其高溫下抗晶界腐蝕性能。使用前經(jīng)過(guò)校對，以滿(mǎn)足技術(shù)要求。更換新的熱電偶后，并對爐溫進(jìn)行校對，達到工藝要求。

表5 兩種熱電偶對比情況

項目 原熱電偶 新更換熱電偶 產(chǎn)地 日本東方公司（OE） 國產(chǎn) 型號 OES-107，S型 WRN-120，分度號K 使用溫度 最高1200℃ 最高1200℃ 保護管直徑/mm 22 22 外觀(guān)長(cháng)度/mm 700 750 準確度 二級 Ⅱ級 連續使用壽命 2000h（日本C-1602-1995） 未規定

第二，制訂爐溫均勻性和溫度儀表、現場(chǎng)熱電偶檢查周期。按JB/T 10175—2008《熱處理質(zhì)量要求》規定，要求現場(chǎng)熱電偶測定周期為6個(gè)月。此次規定：每3個(gè)月校對一次熱電偶和檢查一次爐溫均勻性及溫度儀表。

第三，更換試樣。將隨爐用圓棒形試樣，改為多聯(lián)齒塊，以使檢驗結果接近二軸實(shí)物，避免產(chǎn)生大的偏差。

第四，改進(jìn)工藝。將淬火時(shí)的保溫時(shí)間增加10min，使爐內工件淬火溫度更接近工藝要求溫度。改進(jìn)后滲碳熱處理工藝參數見(jiàn)表6。

表6 改進(jìn)后滲碳熱處理工藝參數

工藝階段 溫度/℃ 碳勢Cp（質(zhì)量分數）（%） 時(shí)間/min ① 860 1.15 0 ② 860 1.15 0.1 ③ 920 1.15 30 ④ 920 1.15 150 ⑤ 920 0.85 60 ⑥ 850 0.85 0.1 ⑦ 850 0.85 30

第五，調整超溫報警系統。通過(guò)溫度計調節器編程，將原設定950℃調整為940℃。

（3）效果

采用以上改進(jìn)措施后，經(jīng)過(guò)1年多的滲碳熱處理生產(chǎn)，二軸的滲碳熱處理金相組織合格，畸變減小，易于校直，較好地解決了二軸斷裂問(wèn)題。