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玉米收获机过桥主传动轴断轴原因失效分析

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曹春玉 吕峰 赵浙宏

(国家农作物收割机械设备产品质量监督检验中心)

  摘 要:用布氏硬度法、金相法等测试方法分析了过桥主传动轴断裂的原因.结果表明,断轴的主要原因是:调质工艺中,由于轴的横截面没有被完全淬透,轴心部金相组织为非正常调质组织,导致轴的整体力学性能满足不了工作要求,在收获过程中,过桥轴承受较大扭转负荷,易断裂。

  关键词:失效分析;40Cr钢;金相检验

  0 引言

  某企业新近生产的玉米收获机在销售后收获作业时过桥主传动轴屡次出现断裂现象,因此该企业委托我单位对其断裂原因进行失效分析。玉米收获机在进行收获作业过程中,过桥主传动轴主要担负着传递扭矩为割台工作传递动力的工作。如果该零件断裂失效,收获机就无法进行工作,直接影响收获作业。因此,作者对其进行失效分析,以期提出切实可行的解决办法。

  1 轴的技术要求

  该轴为委托外协加工企业加工,技术文件为设计图纸,主要要求为材质40Cr,热处理工艺调质,调质硬度221~269HBW,设计直径40mm,金相组织设计图纸未提要求。

  2 试验方法

  观察轴的外观、断口形貌,对金相组织、成分、硬度进行测试分析,在此基础上对轴的失效原因进行分析。

  从表3与表4看出,样品A与样品B心部硬度达到设计要求,但数据接近设计要求下限值。


  2.1断口初步分析

  样品如图所示,两件轴为同一批次、同一规格产品,加工工艺与热处理工艺完全相同。为了方便表述和区分,断轴编为样品A(见图1、图2),未使用轴编为样品B(见图3)。从图3中可以看出,样品B加工有键槽,经检测,精度符合设计要求,且没有车痕损伤等应力集中点。从图1中可以看出,样品A断口形貌是发亮的结晶状,与正应力方向垂直,且没有明显的塑性变形,应属于脆性断裂。这些结晶状裂纹汇集于图中所圈处,因此,裂纹源应为图中所圈处。




  2.2样品成分分析

  两件轴都是同一批材料加工而成,经直读光谱仪检测分析,样品的主要化学成分见表1。从表1可以看出轴符合GB/T3077-1999中40Cr钢的化学成分要求,见表2。

  2.3样品布氏硬度测试

  对样品A和样品B心部分别进行布氏硬度测试,样品A布氏硬度试样块距离断口2cm处切取,切取时注意冷却,防止过热,组织和硬度发生变化。测试结果见表3及表4。

  2.4金相组织分析

  切取布氏硬度试样块时剩余的断轴部分,清洗并将此试样沿直径切成四部分,取其一部分,清洗断口表面的油渍、污物;用砂轮将断口稍微磨平(磨时注意用水冷却以免试样的组织因受热而发生变化);把磨平、洗净、吹干后的试样,手工依次在由粗到细的各号砂纸上磨制,再抛光(机抛光);采用4%硝酸酒精溶液浸蚀后用电吹风吹干试样表面,在500倍金相显微镜下对其进行横截面金相观体、条状及块状铁素体,导致其硬度值仅接近设计值下线,原因在于调质过程中,轴没有被完全淬透。该轴采用的40Cr钢的临界淬透直径为30~40mm,而该轴设计直径仅为40mm,理论上,该轴应该被整体淬透,心部应为回火索氏体,不应出现屈氏体、条状及块状铁素体,可能原因是因为实际淬火温度过高,使钢的晶粒长大,淬火后心部得到粗大的马氏体,而随后的回火温度又过低,以至马氏体未充分分解,部分转变为托氏体,仍保持较大的脆性,在使用中极易造成脆性断裂。因此,认为外协加工企业在淬火时出现了问题。该企业外协加工的过桥轴,木是安装在谷物收获机械上的零件,没有出现断裂现象,在将该轴安装在玉米收获机械上后,开始出现断轴现象,原因在于,过桥轴为玉米收获机械割台传递力矩时,承受更大的负荷,由于轴热处理时出现问题,轴整体力学性能下降,在承受较高的扭转负荷时,发生断裂。




  由于过桥轴横截面没有被完全淬透,且淬火、回火工艺存在问题,轴心部金相组织为非正常调质组织,导致轴整体力学性能满足不了工作要求,在收获过程中,过桥轴承受较大扭转负荷,易断裂。建议加强质量管理与控制,修改设计图纸,增加金相组织要求,具体为表面与心部组织皆为回火索氏体,级别为1~4级,提高硬度范围,具体为240~280HBW,同时及时与外协加工企业沟通,解决热处理工艺中存在的问题。

(来源:农机使用与维修)