文／張麗利,孫建,施細(xì)妹?南昌齒輪鍛造廠

某輕型卡車前軸疲勞斷裂原因分析及改善措施

文／張麗利,孫建,施細(xì)妹?南昌齒輪鍛造廠

張麗利，主要從事金屬材料分析、實(shí)驗(yàn)室管理及計(jì)量校準(zhǔn)。

卡車前軸一旦失效，將發(fā)生重大人身和設(shè)備事故，被列為最重要的保安件。所以必須確?？ㄜ嚽拜S質(zhì)量。包括外觀表面、組織及力學(xué)性能?？ㄜ嚽拜S選用的原材料一般為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。在較大型的設(shè)備上模鍛成形，鍛后熱處理就是最終熱處理，切削加工后，需抽樣按汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《QC/T 513-1999 汽車前軸臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)方法》做臺(tái)架試驗(yàn)。

問(wèn)題描述

某輕型卡車前軸長(zhǎng)1270.5mm，寬115mm，高212.5mm，重32kg，材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，表面硬度235～277HB，金相組織：回火索氏體+條狀及塊狀鐵素體。

客戶完成加工后，抽樣5件在臺(tái)架上進(jìn)行縱向彎曲疲勞壽命試驗(yàn)（循環(huán)次數(shù)），其中有1件在48.21萬(wàn)次時(shí)就發(fā)生斷裂現(xiàn)象（要求＞50萬(wàn)次），如圖1所示。鋼板托下工字?jǐn)嗝娼?jīng)檢測(cè)和分析，斷裂處外觀良好，無(wú)鍛造折疊、磕碰損傷等缺陷。

問(wèn)題排查過(guò)程

⑴化學(xué)分析。

在失效件上截取一塊試樣，進(jìn)行化學(xué)分析檢驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備為Bruker Q8 MAGELLAN直讀光譜儀，從表1檢驗(yàn)結(jié)果可以看出化學(xué)分析檢驗(yàn)結(jié)果符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 某輕型卡車前軸鍛件簡(jiǎn)圖及斷裂口

表1 前軸化學(xué)分析檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

⑵硬度分析。

用布氏硬度計(jì)對(duì)失效件進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為：239～242HB，技術(shù)要求為235～277HB，符合技術(shù)要求。

⑶金相分析。

用光學(xué)顯微鏡對(duì)失效件進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果為：表面組織為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體，表面0.2mm脫碳（前軸斷裂位置）。技術(shù)要求：回火索氏體+條狀及塊狀鐵素體，不符合技術(shù)要求。

⑷用魚(yú)骨圖討論分析。

魚(yú)骨圖是一種發(fā)現(xiàn)問(wèn)題“根本原因”的方法，結(jié)合本工件特點(diǎn)，從“人、機(jī)、料、法、測(cè)”五個(gè)方面列出可能原因，見(jiàn)圖2。

⑸列出原因排查清單，見(jiàn)表2。

綜合以上分析結(jié)果，決定進(jìn)行故障再現(xiàn)。

故障再現(xiàn)

項(xiàng)目組對(duì)循環(huán)水泵壞和淬火水槽鹽水溫度高2個(gè)“疑是”點(diǎn)進(jìn)行故障再現(xiàn)，確定2個(gè)方案：

⑴先正常調(diào)質(zhì)生產(chǎn)3掛后，檢測(cè)每掛淬火入水前和入水后的鹽水溫度。

⑵關(guān)閉循環(huán)水泵，繼續(xù)調(diào)質(zhì)生產(chǎn)19掛 ，檢測(cè)每掛鹽水淺層及近槽底溫度。

圖3為前軸鍛件在吊掛狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，入水前和入水后對(duì)比圖，22個(gè)掛件淬火鹽水溫度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 原因排查清單

圖2 魚(yú)骨圖

圖3 前軸鍛件在吊掛狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理

⑶金相分析如圖4所示。

原因分析與改善措施

通過(guò)以上故障再現(xiàn)的試驗(yàn)，分析結(jié)果如下：

關(guān)閉循環(huán)水泵后淬火至5小時(shí)20分鐘第16掛時(shí)鹽水溫度上升至57℃（超過(guò)工藝要求50℃），且鹽水底面溫度始終低于淺層溫度。故上面試塊的金相為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體，下面的試塊金相為回火索氏體?？梢源_定以下3個(gè)問(wèn)題。

表3 淬火鹽水溫度檢測(cè)結(jié)果

圖4 金相取樣件及金相結(jié)果

⑴生產(chǎn)過(guò)程中循環(huán)水泵壞，鹽水溫度升高，造成金相不合格。

⑵造成同根兩頭金相差異的原因主要為鹽水淬火時(shí)為吊掛方式從上至下入水，熱氣從下向上，致上部組織較差于下部組織。

⑶45鋼材料淬透性差，很容易產(chǎn)生網(wǎng)狀鐵素體。

原因分析

⑴因循環(huán)水泵在地下，當(dāng)循環(huán)水泵停止工作時(shí)，操作工未及時(shí)發(fā)現(xiàn)；在當(dāng)班00：00時(shí)操作工接班、對(duì)鹽水溫度檢測(cè)時(shí)才發(fā)現(xiàn)溫度為56.1℃，超過(guò)工藝要求，排查原因發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵壞。

⑵工人只在換班時(shí)對(duì)鹽水溫度進(jìn)行檢測(cè)，故上個(gè)班的換班點(diǎn)檢未發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵異常。

⑶當(dāng)班未生產(chǎn)，但是操作工未將上個(gè)班生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行隔離檢測(cè)。

改善措施

⑴更新前軸調(diào)質(zhì)線點(diǎn)檢表，增加循環(huán)水泵的點(diǎn)檢。

⑵生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)前期生產(chǎn)的產(chǎn)品必須進(jìn)行隔離，對(duì)末件進(jìn)行檢測(cè)，合格后才能放行，如不合格必須全數(shù)返工。

⑶鹽水槽配備0～200℃熱電偶及儀表，用硬件設(shè)備監(jiān)控鹽水槽溫度。

⑷更新QPS卡增加對(duì)循環(huán)水泵的點(diǎn)檢，每班用溫度計(jì)對(duì)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。

（5）更新FEMA，設(shè)備故障時(shí)，應(yīng)急反應(yīng)中增加“生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)前期生產(chǎn)的產(chǎn)品必須進(jìn)行隔離，對(duì)末件進(jìn)行檢測(cè)，合格后才能放行，如不合格必須全數(shù)返工”。

驗(yàn)證結(jié)果

按上述改進(jìn)措施生產(chǎn)一批前軸，抽檢3件，金相組織均為回火索氏體+條塊狀鐵素體，符合技術(shù)要求；送5件做臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)，縱向彎曲疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）均達(dá)到50萬(wàn)次以上，符合標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)某輕型卡車前軸疲勞斷裂的失效分析，對(duì)斷裂件金相、硬度、光譜成分進(jìn)行分析，及故障再現(xiàn)方式查找根本原因，結(jié)果顯示，由于鹽水槽溫度偏高，鍛件表面淬透層差，造成前軸存在較多網(wǎng)狀鐵素體，金相不合格，性能下降，不能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，提前發(fā)生疲勞斷裂。