花键轴断裂的失效分析

马文才

（本钢板材股份有限公司特殊钢厂，辽宁本溪 117000）

0 引言

花键轴一般用于传递扭矩，具有承载能力高、对中导向性好、互换性强、应力集中小等优点，因而在冶金机械轧钢传动系统中得到广泛应用。近期某厂对800/650 棒材轧制线进行设备改造后，尚处于功能验收阶段的轧钢机传动系统，其一轧机花键轴发生花键断裂事故，给企业生产带来较大影响。为了尽快找出原因，完善改造工程项目，对花键轴进行了失效分析。通过对断裂花键轴断口表面宏观分析，对材料的化学成分、金相组织、金属夹杂物、机械性能、硬度等进行微观探索，找出了花键轴断裂故障的性质与原因，提出解决建议。

1 试验过程与结果

1.1 花键轴表面宏观检查

花键轴断裂处位于中段花键轴与花键套筒配合部位，并非最小轴颈，但属于扭矩传动的主要应力区（图1）。宏观表面检查结果：花键表面接触痕迹为单面接触，与花键轴单向传动功能相符；用测量仪、塞尺等测量齿型、配合间隙，符合图纸要求，表明断裂前没有发生配合不当或磨损失效等问题。

图1 花键轴齿表面

1.2 断口检查分析

花键轴断口较平整，但明显看出呈星形断口形貌（图2）。断口有明显疲劳条带，中心部位存在韧窝，为瞬断区。整个断面呈典型的轴的扭转疲劳断口特性。断口靠圆周部位有明显油水浸入的纹路，应为断裂前产生的疲劳裂纹，也就是疲劳源。

图2 花键轴断面形貌

1.3 化学成分分析

应用直读光谱仪分析化学成分，该花键轴的化学成分符合花键轴图纸要求的40Cr 牌号要求（表1）。

表1 花键轴试块化学成分 %

1.4 机械性能及硬度检查分析

应用摆锤冲击试验机、电子万能试验机测试试块的机械性能，用洛氏硬度计检测试块的硬度（表2、表3）。结果表明，花键轴的机械性能满足GB/T 17107—1999 标准中40Cr 材料热处理后的性能要求，花键轴的硬度值低于图纸设计要求。

表2 花键轴机械性能

表3 花键轴试块硬度 HRC

2 非金属夹杂物及金相组织分析

应用金相显微镜观察断口及断口边缘形貌，花键轴试块非金属夹杂物为Ds 类1.5 级和A 类细系0.5 级（图3、图4）。

图3 Ds 类非金属夹杂物（100×）

图4 断口边缘A 类非金属夹杂物（100×）

花键轴金相组织从表面往芯部依次为：上贝氏体+珠光体、上贝氏体+珠光体+网状铁素体、珠光体+网状铁素体，组织不符合调质热处理应有的组织状态（图5～图11）。

图5 断口边缘金相组织（100×）

图6 金相组织-1（100×）

图7 金相组织-1（500×）

图8 金相组织-2（100×）

图9 金相组织-2（500×）

图10 金相组织-3（100×）

图11 金相组织-3（500×）

3 花键轴强度校核

3.1 接轴工况

公称转矩450 kN·m，最大工作摆角5°，极限摆角10°。

3.2 花键强度校核

式中 σ——拉应力，MPa

T——转矩，N·mm

φ——各齿间载荷不均匀系数；一般取φ=0.7～0.8，齿数多时取偏小值

z——花键齿数

h——键齿工作高度，mm；矩形花键h=（D-d）/（2-2C），C 为倒角尺寸；渐开线花键当α=30°时h=m，当α=37.5°时h=0.9 m，当α=45°时h=0.8 m

l——齿的工作（配合）长度，mm

dm——平均圆直径，mm；矩形花键dm=（D+d）/2，渐开线花键dm=分度圆直径

［σ］——许用拉应力，MPa；一般取［σ］=80 MPa

该花键参数：T=1450 kN·m，φ=0.8，z=42 齿，h=m（模数）=8，l=650 mm，dm=D=336 mm。

将以上数据代入，计算得：工作应力σ=24.70 MPa；许用接触应力［σ］=80 MPa，满足使用要求。

3.3 花键轴危险截面剪切强度校核

式中τmax——最大剪切应力，MPa

Tmax——最大使用转矩，N·mm

［τ］——许用剪切应力，MPa；一般取［τ］=275 MPa

D——截面直径，mm

对应参数：Tmax=1450 kN·m，D=Φ320 mm（图12）。将以上数据代入，计算得：τmax=225.6 MPa，许用应力［τ］=275 MPa，满足使用要求。

图12 花键零件

3.4 理论计算结论

花键轴的设计和外形加工符合要求。

4 结论

花键轴材料40Cr 的正常调质组织应为索氏体组织，但实际检测结果为上贝氏体+网状铁素体为主，组织不符合调质要求，即为硬度未达到图纸要求的原因。金相组织中出现网状铁素体，造成工件塑性降低，工件在传递扭矩的过程中，表面易产生微裂纹，微裂纹逐渐扩展，最终工件扭转疲劳断裂。出现此种金相组织情况的原因可能为：①淬火温度未达到工艺要求；②淬火冷却速度偏低。

分析结果表明，花键轴疲劳断裂的原因为花键轴调质不合格所致。