齿轮轴表面裂纹缺陷分析

■ 范王展

2014年12月，某厂在精车齿轮轴的光轴部位时表面出现轴向裂纹缺陷，裂纹沿轴向分布，数量不一，细而直，长度1～6mm不等。出现裂纹后，在加工面上继续车1mm后，又出现新的裂纹，裂纹具体形貌见图1。

1. 分析

（1）化学成分分析 在轴上取样，进行钢材化学成分分析，结果见附表。由附表可见，各元素的含量正常，均符合技术要求。

（2）金相分析 在垂直裂纹方向进行剖切，裂纹截面金相见图2。裂纹垂直深度约0.03mm，宽度约0.05mm；裂纹未向内延伸；腐蚀后观察，裂纹周围组织为正常正火组织。

在轴上取金相试样观察，在纵截面上发现数条长度0.5～1.3mm的夹杂物条带，宽度在0.01～0.02mm之间（见图3a）；在横截面上观察到大量点状、短片状缺陷（见图3b）。

（3）扫描电镜 在扫描电镜下对缺陷部位进行化学成分分析，结果显示缺陷区域化学成分主要为O、Al、Ca、Na以及少量的S和K。

齿轮轴化学成分（质量分数） （%）

2. 结果讨论

从缺陷宏观形貌分析，由于裂纹无金属光泽，且将缺陷部位继续车1mm后又出现新的裂纹，因此裂纹缺陷不仅在零件表面、且在零件内部已经形成，进而断定缺陷不属于机加工裂纹，该推断经过磁粉检测得以验证（见图4）。

对肉眼可见的缺陷用记号笔标出，在磁粉检测前，零件上共可见7处缺陷，经过磁粉检测，可以看出零件表面聚集了大量缺陷。

从金相检测结果来看，由于缺陷周围为正常的正火组织，未出现脱碳现象，说明在锻造时裂纹并未从毛坯件内部裂至表面，缺陷是密闭的闭合状态。

从扫描电镜结果来看，产生裂纹的根本原因是钢材出现材质缺陷，主要为氧化夹杂物。尤其是夹杂物中含有保护渣的成分Na、K元素，说明是保护渣卷渣造成的夹杂。

根据文献描述，该缺陷的准确定义应为发纹缺陷，该缺陷以埋藏在钢材表层10mm以内位置居多。

3. 结论与改进措施

零件表面裂纹实际是钢材发纹缺陷，其根本原因是由于钢液保护渣卷入造成的非金属氧化物夹杂引起的。

为进一步加强对入厂钢材非金属夹杂物的控制，采取了以下措施：一是进行头尾炉管理。对每个浇次的头炉和尾炉，要求在头坯和尾坯上取样，进行夹杂物检验分析；二是对钢材进行塔形检验。通过以上措施，取得了良好效果，在生产中再未出现批量性发纹缺陷。

图1 裂纹缺陷宏观形貌

图2 裂纹部位截面金相分析

图3 轴上试样显微观察

图4 零件磁粉检测前后对比