1.二轴材料及技术要求
（1）二轴及其材料
二轴（见图1），图号为1701301-950，采用20CrMnTi钢制造，其材料化学成分要求执行GB/T 3077—1999《合金结构钢》标准。
（a）二轴外观照片
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（b）二轴断裂位置示意
图1 20CrMnTi钢制二轴
（2）二轴技术要求
二轴渗碳淬火有效硬化层深度要求为0.9~1.3mm，表面硬度58~63HRC，心部硬度30~40HRC，螺纹部分硬度要求≯45HRC，轴颈处对两端中心孔的跳动值≤0.05mm，马氏体、残留奥氏体1~5级，碳化物1~5级。
2.二轴加工工艺流程
二轴加工工艺流程为：下料→锻造→退火→粗车→精车→车螺纹→插齿→滚花→热处理→磨削→交验。
3.热处理设备与工艺
（1）设备
二轴渗碳、淬火、回火，以及清洗采用UBE1000型密封箱式多用炉生产线。
（2）工艺流程
二轴热处理工艺流程为：60~70℃前清洗→920℃渗碳、扩散→850℃入油淬火→60~70℃中间清洗→180℃×120min低温回火→30min喷丸清理→校直→交验。
（3）热处理工艺
二轴的渗碳介质采用丙烷和甲醇，渗碳时甲醇的滴量为2200~2500mL/h，丙烷在渗碳、扩散时设定为5~8L/min，碳势自动控制。其热处理工艺参数可在PLC系统的程序内设定并进行自动控制。二轴采用气体渗碳热处理工艺，其渗碳热处理工艺曲线见图2，渗碳热处理工艺参数见表1。
图2 二轴渗碳热处理工艺曲线
表1 二轴渗碳热处理工艺参数
工艺阶段 温度/℃ 碳势Cp（质量分数）（%） 时间/min ① 860 1.15 0 ② 860 1.15 0.1 ③ 920 1.15 30 ④ 920 1.15 150 ⑤ 920 0.85 60 ⑥ 850 0.85 0.1 ⑦ 850 0.85 20
4.断裂原因分析
（1）检验标准
二轴检验执行GB/T 226—1991《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》、GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》、GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定法》、QC/T 262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》、GB/T 230.1—2009《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N标尺）》、GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》等标准。
（2）检验设备
断裂二轴金相检查采用GX51型日本奥林巴斯金相显微镜，渗碳淬火有效硬化层深度测量采用MH-6型维氏硬度仪，表面与心部硬度测试用HR-150A型洛氏硬度计。
（3）二轴校直前弯曲畸变分析
对热处理前二轴进行畸变抽查，二轴径向跳动均在要求的0.03mm范围内。热处理后畸变检查，80%以上二轴的径向跳动＞0.18mm。较常规相比，此批二轴畸变大，校直困难，易于出现断裂现象。
（4）断口宏观检查
断裂部位大部分在图1b所示位置。观察二轴断口细平，没有明显的塑性变形痕迹，表明失效二轴为脆性断裂，见图3。
图3 二轴断口形貌
（5）化学成分分析
采用线切割方式，在二轴断口附近取样，做化学成分分析，检验结果见表2，所测得结果符合GB/T 3077—1999对20CrMnTi钢的成分要求。
表2 断裂二轴的化学成分（质量分数）（%）
（6）原材料带状组织与奥氏体晶粒度检查
首先是带状组织检查。检查同批次热处理前二轴材料的带状组织为：珠光体＋铁素体，较均匀的等轴晶粒分布，按长春一汽A08-10.1—2007《结构钢组织偏析评定（第一部分：带状组织）》评定带状组织为2级（见图3），符合带状组织≤3级的技术要求。
图4 二轴带状组织（100×）
其次，奥氏体晶粒度检验。检查同批次热处理前二轴材料的奥氏体晶粒度，按GB/T 6394进行检验与评级，奥氏体晶粒度为6级，合格（技术要求细于等于5级）。
（7）低倍组织检查
在断裂二轴上沿垂直于轴向方向截取低倍组织试样。参照GB/T 226，将试样进行热酸浸蚀。检验结果表明，断裂二轴钢材存在并不严重的方形偏析。
（8）非金属夹杂物含量检查
参照GB/T 10561评定材料的非金属夹杂物为：A类细系1.5级，D类细系1.5级，DS类1.0级。检验结果表明，断裂二轴材料的夹杂物级别的不良程度较低。
（9）金相检验
在断口附近制取金相试样，经质量分数为4%硝酸酒精腐蚀，用金相显微镜进行观察。表层金相组织为：粗针状马氏体＋多量残留奥氏体＋少量碳化物，见图3，依据QC/T262评级图，表层马氏体、残留奥氏体为6级，不合格。心部为较粗板条状马氏体，见图4。
图5 断裂二轴表层金相组织（450×）
图6 断裂二轴心部金相组织（450×）
用维氏硬度仪测得断口附近有效硬化层深度较为均匀，为1.1~1.3mm，满足技术要求。
表3为二轴断口附近的金相组织及有效硬化层深度与技术要求对比。
表3 二轴断口附近的金相组织及有效硬化层度与技术要求对比
项目 马氏体、残留马氏体/级 碳化物/级 有效硬化层深/mm 实测 6 1 1.1~1.3 技术要求 1~5 1~5 0.9~1.3
（10）硬度检测
采用线切割方式，在二轴断口附近取样，用洛氏硬度计检测其表面硬度和心部硬度。结果表明，心部与表面硬度较均匀，表面硬度在60.5~62HRC之间，合格。心部硬度39.5~41HRC，心部偏高，不合格。
表4为二轴断口附近硬度与技术要求对比。
表4 二轴断口附近的硬度与技术要求对比
项目 表面硬度HRC 心部硬度HRC 实测 60.5~62 39.5~41 技术要求 58~63 30~40
5.断裂原因分析与对策
（1）原因分析
对二轴材料的化学成分、低倍组织、非金属夹杂物、带状组织、奥氏体晶粒度检验，基本正常。但二轴断裂处金相组织粗大，马氏体级别超差，心部硬度偏高，导致二轴材料脆性增加，韧性降低，在对二轴进行校直过程中，首先在强度薄弱处产生断裂。
金相组织粗大超级，表明二轴在的渗碳热处理过程中，可能温度过高，使二轴畸变加大，脆性增加，韧性降低。对此，采用标准电位差计及标准热电偶检测炉内温度，在850℃温度下，测得炉内实际温度在870~875℃之间，较工艺要求温度超高20~25℃，这一检测结果与金相组织分析结果是一致的。进一步检查炉子控温热电偶时，发现外管顶部有烧损、穿孔情况，电极（电偶丝）已被渗碳。经验表明，热电偶电极经渗碳变质后，温度仪表指示将产生偏低现象。此时炉内实际温度偏高。这是由于热电偶电极在炉内被渗碳后，造成电极化学成分发生变化，引起热电偶输出毫伏值减小，在温度控制器设定值和热电偶检测毫伏值进行比较时，认为温度低，进行输出功率调整，使温度达到设定值，这样炉内实际温度已经超出设定值，温度控制器显示温度已不是炉内的实际温度，造成炉温偏高。
原设备采用日本OES-107型热电偶，按日本C-1602-1995标准规定，对S型热电偶连续使用时间规定为2000h，而此次失效热电偶已经是超期使用，达到4700h。
通过以上分析可知，造成此次校直二轴断裂情况发生的主要原因是，热电偶超期使用后失效，造成温控温度产生较大的偏差，使炉内实际温度超高20~25℃，使二轴淬火温度超出工艺要求过多，导致其金相组织粗大、超差，脆性增加，畸变加大，在二轴校直过程中首先在薄弱处产生断裂情况。
（2）对策
第一，更换热电偶。表5为两种热电偶对比情况。新更换热电偶为国产优质热电偶，配制奥氏体不锈钢外壳，以提高其高温下抗晶界腐蚀性能。使用前经过校对，以满足技术要求。更换新的热电偶后，并对炉温进行校对，达到工艺要求。
表5 两种热电偶对比情况
项目 原热电偶 新更换热电偶 产地 日本东方公司（OE） 国产 型号 OES-107，S型 WRN-120，分度号K 使用温度 最高1200℃ 最高1200℃ 保护管直径/mm 22 22 外观长度/mm 700 750 准确度 二级 Ⅱ级 连续使用寿命 2000h（日本C-1602-1995） 未规定
第二，制订炉温均匀性和温度仪表、现场热电偶检查周期。按JB/T 10175—2008《热处理质量要求》规定，要求现场热电偶测定周期为6个月。此次规定：每3个月校对一次热电偶和检查一次炉温均匀性及温度仪表。
第三，更换试样。将随炉用圆棒形试样，改为多联齿块，以使检验结果接近二轴实物，避免产生大的偏差。
第四，改进工艺。将淬火时的保温时间增加10min，使炉内工件淬火温度更接近工艺要求温度。改进后渗碳热处理工艺参数见表6。
表6 改进后渗碳热处理工艺参数
工艺阶段 温度/℃ 碳势Cp（质量分数）（%） 时间/min ① 860 1.15 0 ② 860 1.15 0.1 ③ 920 1.15 30 ④ 920 1.15 150 ⑤ 920 0.85 60 ⑥ 850 0.85 0.1 ⑦ 850 0.85 30
第五，调整超温报警系统。通过温度计调节器编程，将原设定950℃调整为940℃。
（3）效果
采用以上改进措施后，经过1年多的渗碳热处理生产，二轴的渗碳热处理金相组织合格，畸变减小，易于校直，较好地解决了二轴断裂问题。
