C35钢花键轴开裂原因分析

包 锋，钟芳华，刘年富

(宝武集团广东韶关钢铁有限公司，广东 韶关 512123)

花键轴是机械传动系统中用来传递轴与轴之间运动和扭矩的零件，其既要准确完成啮合动作，又要重复地实现交变载荷的传递。因此，零件对啮合精度和结构强度都有很高的要求。传统的花键轴生产工艺是采用切削加工，由于工艺复杂，材料利用率低，成本高，且零件的强度和疲劳寿命大大降低，达不到产品的使用性能要求。冷挤压成形是花键轴生产中比较先进的一种方法，其生产效率、材料利用率比传统切削加工工艺要高，而且能大大提高零件的强度和精度。因此冷挤压工艺已经在众多的工业部门得到广泛应用[1-3]。

某公司使用C35钢生产的花键轴，在车削加工过程中发现花键轴铆点位置出现开裂现象，花键轴具体生产工艺为：球化退火→车外圆平两端面→磷皂化→粗挤压→磷皂化→精挤压→机加工。为查明原因，通过化学成分分析、金相组织观察和扫描电镜分析等手段，对上述问题进行分析。

1 试样检验

1.1 宏观检验

图1为开裂花键轴的宏观形貌，开裂部位位于花键轴上部的的铆点位置，如图1方框所示。使用体式显微镜对开裂铆点位置进一步放大观察，如图2所示，开裂位置有挤压孔，孔下有挤压后堆积的金属，挤压孔旁开裂形貌为沿加工方向有凸凹不平的、无金属光泽的条带。

图1 开裂花键轴宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracking spline shaft

图2 开裂铆点宏观形貌(图1 方框放大)Fig.2 Macroscopic morphology of cracking riveting point(amplification of box in Fig.1)

1.2 化学成分

对花键轴取样进行化学成分分析，检测结果如表1所示。从表中可以看出，花键轴的化学成分是符合协议要求的。

1.3 夹杂物

对花键轴取样进行非金属夹杂物检测，花键轴上有大量的细长条硫化物夹杂，A细夹杂物级别达到4.0级，如图3所示。

表1 花键轴化学成分(质量分数，%)

图3 开裂花键轴硫化物形貌Fig.3 Morphology of sulfides in cracking spline shaft

1.4 带状组织

对花键轴进行带状组织检测，带状组织如图4所示，珠光体大小不均，存在大块状珠光体，按GB/T 13299评级为3.0级，带状组织比较严重。

1.5 金相组织

对花键轴取样进行横向显微组织观察，腐蚀后的宏观形貌如图5所示。从图中可以看出，花键轴的边部和心部形貌存在明显的差别。通过金相显微镜对花键轴的边部和心部组织进一步放大观察，边部区域存在较多的黑色大块状片状珠光体+铁素体，如图6(a)所示。而心部区域黑色大块状珠光体较少，主要为均匀分布的珠光体+铁素体，珠光体多数为片层状，少量为粒状，如图6(b)所示。从花键轴的横向显微组织看，整个横截面上的组织分布是很不均匀的。

图4 开裂花键轴带状组织Fig.4 Banded structure of cracking spline shaft

图5 开裂花键轴横向显微组织Fig.5 Transverse microstructure of cracking spline shaft

(a)边部(图5中A区域)；(b)心部(图5中B区域)图6 开裂花键轴横向显微组织(a) edge at area A in figure 5; (b) core at area B in figure 5Fig.6 Transverse microstructure of cracking spline shaft

1.6 电镜分析

为了进一步找出花键轴铆点开裂的原因，使用扫描电镜对花键轴开裂铆点位置进行观察，扫描电镜下的开裂断口微观形貌如图7所示。从图中可以看出，花键轴铆点开裂部位断口主要为大量的长条状韧窝和等轴韧窝，部分韧窝中可见夹杂物。表2的能谱分析结果表明，此夹杂物的主要成分为Fe、Mn、S，由此判断此夹杂物为硫化锰。

表2 夹杂物能谱分析结果

2 分析讨论

C35属于优质碳素结构钢，为了改善加工性能，通常会加入一定量的硫，硫含量约0.026%。从图3和图4的夹杂物和带状组织看，花键轴的A类夹杂物级别达到4.0级，带状组织级别为3.0级，且珠光体大小不均匀，均有大块状的珠光体。从花键轴的横向显微组织看，花键轴整个横截面的组织非常不均匀，边部存在大块状的珠光体+铁素体，而心部组织则相对均匀。结合客户的生产工艺流程，花键轴严重的带状组织及横向显微组织的不均匀与退火工艺不当有关。从图7的花键轴开裂铆点扫描电镜图可以看出，开裂部位断口主要为大量的长条状韧窝和等轴韧窝，部分韧窝上还能观察到条状硫化物，从断口形貌看，花键轴开裂形貌属于韧性开裂。

图7 开裂花键轴扫描电镜形貌Fig.7 SEM morphology of cracking spline shaft

通过以上分析表明，引起花键轴铆点开裂的主要原因是花键轴组织不均匀、存在严重的带状组织，降低了花键轴的横向性能[4-5]。此外，花键轴存在大尺寸的硫化物夹杂，在冷挤压过程中，铆点除了承受轴向的挤压力外，还要承受径向的挤压力，径向的挤压力易于在硫化物处产生应力集中，容易产生裂纹。由于组织的不均匀及严重的带状组织降低了花键轴的横向性能，当径向挤压力超过花键轴的强度时便产生开裂。

3 结论

1)花键轴开裂的原因是组织不均匀、带状组织严重，降低了材料的横向性能，在冷挤压过程中，应力在硫化物处产生集中，当应力超过材料强度时便产生开裂。

2)花键轴组织不均匀、带状组织严重与退火工艺不当有直接关系，大尺寸硫化物的存在容易导致应力集中，促进了裂纹的产生。