驱动轴外球笼

某型号驱动轴外球笼装机后0公里时出现断裂，产品图及断裂位置如图1所示。产品材质为55号钢，由棒料锻造成型，生产工艺为：锻件→车加工→滚轧花键螺纹→清洗→中频感应淬火→追溯性打标记→回火→硬车端面外径→硬铣球面沟道→探伤退磁清洗→全检→装配→防锈入库。
为分析产品断裂的根本原因，分别对断裂产品进行了化学成分分析、硬度测试、硬化层深度检测、非金属夹杂物检测、低倍检测、金相分析、晶粒度检测、断口形貌分析、能谱分析等相关测试。检测结果如下所述。
 

图1 产品剖面图及断裂位置

1. 化学成分分析：
测试方法：GB/T 4336-2016
元素 碳(C) 硅(Si) 锰(Mn) 磷(P) 硫(S)
要求(wt)(1)，% 0.52~0.60 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.035 ≤0.035
结果(wt)，% 0.57 0.27 0.80 0.013 <0.002
元素 铬(Cr) 镍(Ni) 铜(Cu) 结论
要求(wt)(1)，% ≤0.25 ≤0.30 ≤0.25 -
结果(wt)，% 0.21 0.02 0.02 符合
 
注：(1)根据GB/T 699-2015中牌号55指定要求。

2. 硬度测试：
测试方法：GB/T 230.1-2018
测试项目 测试位置 要求 结果 平均值 结论
HRC 芯部 ≤32HRC 11.8 16.2 14.9 14.3(1) 符合
 
注：(1)硬度值低于20HRC，结果仅供参考。

3. 硬化层深度：
测试方法：GB/T 5617-2005
测试位置(距外圆表面) (mm) 结果 (HV1)
位置 1 位置 2
0.5 729 720
1.0 727 724
1.5 708 708
2.0 710 645
2.5 676 617
3.0 619 598
3.5 549 571
4.0 - 382
硬化层深度(mm) 3.49 3.56
要求(1) 3.3~4.7（550HV1.0）
结论 符合 符合

注：(1)根据客户指定要求。

图2 试样有效硬化层深度曲线

4. 非金属夹杂物测试:
测试方法：GB/T 10561-2005
项目 测试
位置		 类别 A 类别B 类别C 类别D 类别DS
细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系
结果 轴向    截面 - - - - - - 0.5 - -
 

图3  细系D类夹杂物 100x


5. 金相分析：
测试方法：GB/T 13298-2015&JB/T 9204-2008
腐蚀剂：4%硝酸酒精溶液
步骤1：从原始样品上制取试样；
步骤2：清洁，抛光，腐蚀；
步骤3：在显微镜下观察。
测试结果：
测试项目 测试位置 要求(1) 测试结果 结论
金相分析 齿根距表面0.2mm 距表面0.2mm淬火组织3~7级 针状马氏体，4级 符合
距表面10mm金相组织 杆部芯部直径9mm内为原材料
（铁素体+珠光体）杆部直径27.6±0.1mm		 片状珠光体+块状铁素体 符合
 
注：(1)根据客户指定要求。

图4硬化层金相组织照片 500x


图5 距表面10mm处金相组织照片 500x


图6断口截面金相组织照片，可见条形裂纹 100x


图7 上图裂纹放大金相组织照片，裂纹实质为非金属夹杂 500x


图8靠近断口表面淬火区条状裂纹金相组织照片 100x


图9 上图所示缺陷放大金相组织照片，裂纹内部可见非金属夹杂 500x


6. 晶粒度测试：
测试方法：GB/T 6394-2017
腐蚀剂：4%硝酸酒精溶液
步骤1：从原始样品上制取试样；
步骤2：清洁，抛光，腐蚀；
步骤3：在显微镜下观察。
测试结果：
测试项目 测试位置 要求 测试结果
晶粒度 距表面10mm ≥5.0级 9.0级
 

图10 晶粒度 100x
7.低倍测试
测试方法：GB/T 226-2015
低倍发现斑点状缺陷，如图11，图12所示。

图11 低倍组织


图12 低倍局部放大 10 x

8.断口形貌分析&能谱分析：
测试方法：SEM&EDS
断口宏观形貌如图13所示，整个断口大部分区域呈氧化色，以大约1/2半径为界，1/2半径处呈明显深蓝氧化色，氧化温度约400℃，1/2半径至芯部呈黄褐色，氧化温度大约200-300℃，1/2半径至表面区域大约一半面积呈现金属光泽。由断口宏观氧化现象可知，产品在进行表面淬火时已经出现不完全开裂。
图14为断口局部低倍放大形貌，从明暗角度，断口可分为3个区域，分别是光亮高温氧化区，光亮非氧化区及较暗氧化区。

图13 断口整体形貌，大部分断口表面无金属光泽


图14 上图局部放大宏观形貌


图15 断口圆周区域微观形貌，看见沿晶及少部分穿晶形貌
 

图16 断口中心区域微观形貌，部分可见韧窝形貌，部分区域可见晶粒轮廓，和图14对比可知，晶粒表面覆盖有杂质


图17 从断口中部区域选取典型位置进行EDS能谱分析，结果见图18


图18 图17杂质覆盖区能谱图，谱图显示断口表面杂质主要为铁的氧化物


图19 图17韧窝断裂区能谱图，谱图显示断口无氧化物

9. 分析讨论：
通过上述检测可知，产品化学成分、显微金相组织、硬度、硬化层深度等项目符合技术要求，低倍测试发现产品中心区域存在少量斑点状偏析。形貌分析及能谱分析显示部分断口表面存在氧化物，结合断口表面宏观特点及靠近断口金相组织，产品在断裂前在断裂处存在严重内部缺陷。在表面淬火及后续使用过程中缺陷处开裂。
产品断裂机理是：由于原材料在断裂处存在严重夹杂，在后续表面淬火过程中夹杂处形成裂纹并扩展，在随后装车使用时裂纹进一步扩展导致产品断裂。
 

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