1、起动电机 GCr15 花键轴断裂分析程相飞（空装驻无锡地区第二军事代表室，江苏无锡214063）摘要 针对起动电机的花键轴断裂故障，通过对断裂花键轴进行宏微观观察、金相检测以及硬度测试，并选取完好花键轴进行对比分析以及扭转试验验证。结果表明：花键轴断裂性质为承受拉、扭复合应力的过载断裂；花键轴硬度较高、扭转强度及塑性较低是导致其过载断裂的主要原因；鉴于花键轴硬度较高、抗冲击性能较差，建议准确控制回火温度，将花键轴硬度控制在设计要求的下限，或对螺纹进行局部回火以提高螺纹位置扭转强度及塑性，可以避免类似故障发生。关键词 花键轴；GCr15；过载；硬度；扭转 中图分类号 V233;TG115 文献标
2、志码 Adoi：10.3969/j.issn.1673-6214.2023.03.009 文章编号 1673-6214(2023)03-0196-05Fracture Analysis of GCr15 Spline Shaft in Starter GeneratorCHENGXiang-fei(TheSecondMilitaryRepresentativeOfficeofAirCargoinWuxi,JiangsuWuxin214063,China)Abstract:Thesplineshaftofastartergeneratorfracturedduringservice.Inorde
3、rtofindoutthefailuremodeandcause,macroandmicroobservation,metallurgicalstructureanalysis,hardnesstesting,comparativeanalysiswithintactservicedsplineshaftandapprovingtorsiontestwerecarriedout.Thecomprehensiveanalysisresultsshowthatthefracturemodeofthesplineshaftisoverloadunderthecombinedtensileandtor
4、sionalstress.Themainfracturecausingofthesplineshaftisthehigherhardness,lowertorsionalstrengthandplasticity.Inviewofthehighhardnessandpoorimpactresistanceofthesplineshaft,itissuggestedtoaccuratelytailorthetemperingtemperaturetocontrolthehardnessofthesplineshaftatthelowerlimitofthecurrentdesignrequire
5、ments,orlocal-lytemperthethreadtoimprovethetorsionalstrengthandplasticityofthethreadposition,whichcouldpreventsuchfailuresoccur.Key words:splineshaft;GCr15;overload;hardness;torsion0引言起动电机是航空发动机的重要部件。在发动机起动时，起动电机的花键轴带动发动机转子转动以提供初始动力1。其中，花键传动轴是起动电机的核心部件，其在使用过程中的主要作用是传递扭矩，因此对其选材提出的性能要求为高强度、高硬度、高耐磨性和高冲
6、击韧性2。GCr15 钢是一种使用广泛的高碳铬轴承钢，经热处理后具有良好的耐磨性、较高的硬度和较高的抗疲劳性等优点，被广泛应用于高精密的传动花键轴、轴承等工业领域3-4。GCr15 轴承钢的硬度与其接触疲劳强度、耐磨性、疲劳极限有着密切的关系，直接影响材料的使用性能。同时，GCr15 钢中碳化物的尺寸及分布等对材料的力学性能和疲劳寿命有较大影响，尺寸较大的碳化物往往成为疲劳失效的裂纹源区，因此大量的研究人员开展相关热处理工艺研究，以期获得含细小、均匀分布碳化物的轴承钢5-8，而 GCr15 轴承钢相关零部件的断裂分析研究鲜少见报道。起动电机在外场起动 10 余次后发现花键轴断裂，此后连续多件花
7、键轴在工作早期发生断裂。断裂花键轴材料为 GCr15 轴承钢，最终热处理工艺为 8501h（油淬）+1804h（空冷），材料硬度要求为 HRC5864。本研究对起动电机花键轴断裂故障进行分析，查明花键轴断裂原因，为优化材料综合性能的设计选择和控制，提高飞行安全水平，为防止同类故障的再次发生提供重要保障。收稿日期 2022年12月29日修订日期 2023年3月10日作者简介 程相飞（1978 年），男，工程师，主要从事航空发动机及其部件质量监督和故障分析等方面的研究。2023 年 6 月第 18 卷第 3 期失效分析与预防June，2023Vol.18，No.31试验过程与结果1.1宏观观察花键
8、轴较细一侧加工成螺纹，并通过螺母固定。花键轴断裂位置位于螺纹第一扣处，该位置尺寸较细，为花键轴承受应力最大位置，且存在明显的应力集中（图 1a）；观察传动花键部位，发现花键配合面远离螺纹端约 10 个啮合面的两侧均分别观察到接触痕迹，且这些花键配合面接触较深痕迹沿着顺时针方向呈逐渐减轻的变化趋势，表明花键在工作过程中承受显著的加速和减速冲击过程（图 1b）；花键轴断口表面较为平坦，为均一的银灰色，未见明显的塑性变形，呈脆性断裂特征，裂纹一侧外表面起源，可见弧线扩展棱线，最终断裂区为剪切唇（图 1c）。(a)Fractured gear shaft(b)Spline(c)Fracture sur
9、face Contact marksSourceShear lipFracture position2 mm2 mm图1断裂齿轮轴宏观形貌Fig.1Macromorphologyoffracturedsplineshaft2微观观察采用扫描电镜观察断裂花键轴断口可以发现：从源区到扩展区，棱线存在先平直后弯曲的特征；源区特征为沿晶+韧窝的混合断裂特征，且以沿晶为主，未见冶金缺陷和损伤特征（图 2a、图2b）；扩展区断口以及最终断裂的剪切唇区断口特征与源区特征相同，均为沿晶+韧窝的混合断裂特征，且以沿晶为主（图 2c、图 2d）。棱线特征表明，裂纹扩展过程中的应力为拉、扭复合作用。3金相与硬度检测
10、在断口附近沿轴向剖切花键轴，制备试样观察金相组织。断裂花键轴组织为颜色深浅交替变化的带状组织。颜色较暗区域组织为隐针状马氏体+大量的碳化物，碳化物尺寸较大且多；颜色较亮区域组织为粗针状马氏体+少量的碳化物，碳化物尺寸较小（图 3）。根据 GB/T1825420169，带状组织评定为 1 级，符合特优级钢标准。相关研究表明，GCr15 钢回火组织中出现明暗区形貌是由于合金渗碳体中 Cr 分布不均匀，造成碳化物稳定性的差异：富 Cr 渗碳体区域的奥氏体基体由于奥氏体中含 C、Cr 量较低，马氏体形成温度较高，以致形成的马氏体易回火，有自回火现象，因此较易腐蚀，腐蚀后颜色较深。贫 Cr 渗碳体区域的
11、奥氏体基体中由于含 C、Cr 量高，马氏体形成温度低，不易回火，故耐蚀，腐蚀后颜色较浅10。采用显微硬度计分别对暗区和亮区进行显微第3期程相飞:起动电机 GCr15 花键轴断裂分析197硬度测试，结果见表 1。由结果可知，亮区硬度略高于暗区，即隐针状马氏体区域硬度高于粗针状马氏体区域。将显微硬度的平均结果根据 GB/T1172199911换算成洛氏硬度，断裂花键轴的硬度符合设计要求（HRC5864）。4分析及讨论断裂花键轴在第一螺牙位置断裂，断口平齐，未见明显塑性变形，可见直线+弧形的扩展棱线特征；断面未见冶金缺陷，断面源区、扩展区以及瞬断区（剪切唇）特征均为沿晶+韧窝的混合断裂特征。GCr1
12、5 轴承钢断口特征与组织相对应，隐针状马氏体区，即硬度较高区域为沿晶断口；粗针状马氏体区，即硬度较低区域为韧窝断口。根据以上特征，可以判定花键轴断裂性质为扭转过载断裂。花键轴发生过载断裂主要取决于外载荷的大小以及自身抗力。花键轴在正常转动过程中仅承受扭转应力，螺纹位置不受力；只有在起动或停止等变速过程中承受冲击作用，使花键轴承受较大的弯曲应力，在螺牙处形成拉、扭复合应力。花键上观察到宽度渐变的接触痕迹证实了其承受渐变的冲击应力。通过对设计、外场使用状况排查，未发现受力增大的情形。外场选取一件长期使用未失效的花键轴进行对比分析，采用扭转试验将其扭断。断裂位置位于第一螺牙根部，断口特征为沿晶+韧窝
13、的混合断裂特征，断裂特征与失效花键轴一致，但其韧窝所占比例高于失效花键轴断口（图 4）。硬度检测表明其硬度为 HRC59，明显低于故障件，且处于设表1断裂花键轴显微硬度检测结果Table1ResultsofmicrohardnesstestinfracturedsplineshaftPositionHV0.5HRC123AverageLightarea733.4733.4739.3735.462Darkarea669.3727.5716.0714.3611 mm(a)Low magnification of source region(b)High magnification of sourc
14、e area(c)Propagation region(d)Shear lip region15 m15 m15 m图2断裂花键轴断口微观形貌Fig.2MicromorphologyoffracturesurfaceinfracturedsplineshaftLight20 mareaDarkarea图3断裂花键轴金相组织形貌Fig.3Microstructureoffracturedsplineshaft198失效分析与预防第18卷计要求的下限。花键轴是由于受到较大的冲击应力过载断裂，通常材料硬度较低会带来塑性的提高，对于抵抗冲击应力有利。为验证硬度对花键轴性能抗扭转应力的影响，本研究通过调
15、整回火工艺制备 3 种不同硬度的花键轴，发现随着回火温度的提高，花键轴硬度逐渐下降。随后进行扭转性能试验，结果见图 5。结果表明，花键轴在 HRC6256 范围内随着硬度的下降，其扭矩、扭角增大，即其扭转强度和扭转塑性明显升高。GCr15 轴承钢低温回火组织一般由回火马氏体、碳化物及残余奥氏体组成。随着回火温度的提高，富集区的碳原子将发生有序化，继而转变为亚稳的 碳化物而析出，马氏体发生分解，同时基体软化使硬度逐渐降低8,12；另外，残余奥氏体含量降低，残余拉应力逐渐降低13，基体C 浓度明显降低、点阵畸变减小。在以上因素的综合作用下，基体塑性提高，花键轴扭转强度存在一定的升高。该研究中，花键
16、轴材料设计硬度要求为 HRC5864，其主要考虑的是花键耐磨性，螺纹仅仅用于安装螺母限位，无耐磨性需求。因此可以整体提高花键轴回火温度以提高其抗冲击性能，同时对花键轴采用表面淬火工艺以提高硬度，即保证螺纹及轴的耐冲击性能又保证花键的耐磨性。因此，为了避免花键轴类似故障的再次发生：1）准确控制回火温度，将花键轴硬度控制在目前设计要求的下限；2）对花键轴螺纹位置进行局部回火，在不降低花键轴硬度的前提下提高螺纹位置扭转强度及塑性；3）综合考虑花键耐磨性的前提下，可提高回火温度降低花键轴材料硬度，同时降低花键轴硬度设计要求。5结论及建议1）花键轴承受较大冲击应力，第一螺牙位置承受拉、扭复合应力导致发生过载断裂。2）花键轴硬度较高、扭转强度及塑性较低是导致其过载断裂的主要原因。3）鉴于花键轴硬度较高、抗冲击性能较差，建议准确控制回火温度以将花键轴硬度控制在目前设计要求的下限，或对螺纹进行局部回火，在不降低花键硬度的前提下提高螺纹位置扭转强度及塑性。4）设计时综合考虑花键耐磨的前提下，降低花键轴硬度设计要求。参考文献田浩,傅国如,陈荣,等.起动发电机弹性轴断裂分析 J.失效分析与预防,2019,1