GCr15钢行星轮轴的开裂失效分析

■ 牟怀飞，杨瑞，冯凯强

GCr15钢制行星轮轴在使用过程中以及精磨过程中出现周向或环状裂纹，个别零件裂纹贯穿表面。该批零件生产工艺流程为：棒材下料→球化退火→锻造成形→机械加工→淬火、回火→机加精磨外圆→成品→清洗→防锈。热处理要求硬度60～66HRC。淬火加热所用设备为井式淬火炉，型号为RJJ-75-9D，所用工装为自制工装，每炉装载量90件。加热温度850℃，保温时间120min，煤油滴量为20～40滴/min（防止脱碳），淬火冷却介质为L-AN46全损耗系统用油。油淬后以75℃热水清洗并回火，回火所用设备为井式回火炉，型号为RJJ36-6，回火温度为180℃，回火保温时间120min。在装配及精磨外圆过程中，部分行星轮轴出现裂纹，本文就此进行失效原因分析。

1. 讨论与分析

（1）宏观断口形貌 图1为行星轮轴示意，图2为失效零件。观察发现，失效断口平行于工件周向，断面平齐，属于脆性断裂。根据撕裂棱特征判断裂纹走向，发现断口存在多个裂纹源，位于工件表面沿周向分布。

（2）无损检测 对失效的行星轮轴以及成品库房待用零件进行磁粉检测，发现工件表面存在不同程度的裂纹，如图3所示。图3a裂纹呈龟甲状，图3b裂纹方向沿周向平行扩展，且垂直于磨削方向。

图1 行星轮轴示意

图2 失效的行星轮轴宏观断口

（3）硬度分析 对失效零件进行硬度分析，如图4所示，沿箭头方向分别为1、2、3、4、5、6测试点，对零件不同位置进行硬度分析，结果如表1所示。

表1结果说明，经过冷加工磨削后零件表面硬度值均匀且偏上限，符合零件硬度要求。零件横切面硬度最低点为48HRC，说明零件已淬透。

（4）化学成分分析 对行星轮轴的化学成分进行检验，结果见表2，其化学成分符合GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》的要求。

（5）夹杂检测 在裂纹集中处切取一段制成金相试样，按GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》进行非金属夹杂检测。由表3可知，行星轮轴材料所含非金属夹杂物均符合GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》标准的要求。

（6）金相组织观察 表层裂纹及形貌：在对失效零件进行金相分析时，发现了许多由表面向内延伸的表面裂纹，裂纹长度在0.15～0.20mm之间，裂纹垂直于表面向内延伸（见图5）。裂纹末端尖锐，沿晶界扩展，且裂纹两侧无氧化、无脱碳。图5裂纹形貌曲折、间断，而且裂纹体的有些部位出现了分叉现象，说明淬火时存在较大的内应力（包括组织应力和热应力）。

观察表层裂纹附近的金相组织，图6中组织为细针状马氏体、隐针马氏体、未溶解的碳化物颗粒，以及少量的残留奥氏体。正常马氏体应该是隐针状马氏体和少量细针状马氏体，均匀分布的细小碳化物颗粒以及少量的残留奥氏体组织。图6均显示马氏体针较明显粗大，说明在热处理过程中有过热的倾向。

图3 行星轮轴表面的裂纹

图4 零件不同部位硬度分布

图5 失效零件的表层裂纹

表1 零件不同位置的硬度值

表2 GCr15钢化学成分（质量分数） （%）

表3 行星轮轴非金属夹杂物检测结果

对试样使用50%的盐酸溶液进行热酸蚀，使表面裂纹显示的更明显。由酸洗后的表面情况（见图7）可知，行星轮轴表面有多条裂纹，呈现出与磨削方向垂直的平行状分布。

2. 结果分析

（1）裂纹产生的原因 断口的形貌分析及金相观察说明，零件表面的裂纹多起源工件表面，且裂纹两侧无氧化脱碳现象，说明这些表面裂纹产生于淬火冷却时或冷却后。该批行星轮轴均为GCr15高碳合金钢制造的薄壁零件，淬火时已淬透，因马氏体与奥氏体比体积的差异以及奥氏体、马氏体与碳化物热膨胀系数的巨大差异，加之零件存在的过热倾向，淬火时势必产生较大的淬火应力，由于心部的马氏体相变落后于表面，且马氏体比体积大于奥氏体，因此增大了零件表面的拉应力，促使表层的张开型淬火裂纹向里扩展。

（2）磨削裂纹的确定 磨削裂纹是零件在淬火后精磨时，由于磨削表层的局部内应力（由淬火应力和磨削力共同决定）超过了材料的断裂极限而产生的局部裂纹。磨削裂纹一般呈细密的且与磨削方向垂直的直线状分布，或以龟甲形状出现。虽然形态会有所不同，但磨削裂纹一般均存在于磨削表面较浅的范围内。本试验所观察到的表面裂纹大多起源于零件的磨削面，且裂纹较浅，在无损检测以及热腐蚀后，表面裂纹形貌均符合磨削裂纹形貌情况。

在零件磨削过程中，由于磨削应力改变了零件内部高应力的分布状态，使心部靠外区域中原来的压应力变为拉应力，从而促进该处裂纹的萌生和扩展，所以裂纹虽属于磨削裂纹，但不是开裂的根本原因，磨削只是促进了淬火裂纹的扩展，最终导致零件的磨削开裂。

3. 总结

（1）该批GCr15钢制行星轮轴的开裂失效虽然发现于磨削工序，但磨削并不是零件开裂的根本原因，尖锐的机加工刀痕只是加剧了淬火应力的集中，促进了裂纹的扩展。

（2）零件加热时的过热敏感性，增大了淬火裂纹的萌生几率，致使行星轮轴在较大的淬火应力下产生了表面裂纹。同时，淬火后未及时回火以及回火不充分，使零件长时间处于高应力状态，促进了淬火裂纹的扩展。

4. 改进措施

采取以下改进措施，消除GCr15钢行星轮轴的开裂现象：

（1）加强原材料的检验，确保其成分、组织及各种缺陷在标准允许的范围内。控制球化退火及锻造工序，保证淬火前的组织正常。

（2）提高淬火前零件的表面粗糙度，消除尖锐的机加工刀痕；淬火加热时，控制装炉量，避免温度过高或时间过长，以免发生较严重的氧化、脱碳；零件遇不合格返修时，必须经过退火消应力处理。

（3）改变回火工艺，将原回火时间120min延长至180min。

图6 裂纹附近的金相组织

图7 热酸蚀后表面裂纹形貌