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應用于行星齒輪減速機的38件行星齒輪，其鋼材18Cr2Ni4WA由A公司和B公司兩個單位供貨。這38件相同材料的行星齒輪經(jīng)同爐熱處理后，發(fā)現(xiàn)A公司供料的8件未見裂紋，而B公司供料的30件均有裂紋。

 

行星齒輪材質為18Cr2Ni4WA鋼，熱處理工藝為：滲碳930℃×1.1%C+930℃×0.85%C+840℃×0.68%C后爐冷至780℃出爐空冷，然后650℃兩次高溫回火，二次加熱840℃×0.68%保溫4h后淬火，油淬（油溫65℃）+深冷處理+回火工藝180℃保溫6h。

 

出現(xiàn)的問題是：由A公司和B公司供應相同牌號的齒輪材料18Cr2Ni4W鋼，在同爐中進行正火和高溫回火以及后面相同工藝的滲碳、淬火后，出現(xiàn)了完全不同的結果——A公司材料的8件未見裂紋，B公司材料的30件均有裂紋。其原因是什么？這是目前我們最關心的問題。

 

通過宏觀觀察、微觀觀察、金相檢查、硬度測試以及能譜分析，我們確定了行星齒輪的開裂性質，并對其開裂原因進行了分析。

 

結果表明：行星齒輪開裂性質為熱處理內應力作用下產(chǎn)生的沿晶脆性開裂。A公司和B公司材料輪齒心部組織均為馬氏體，B公司材料馬氏體組織較粗大；B公司材料輪齒心部晶粒大小不均，且較A公司材料齒心部晶粒大；B公司材料齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。B公司材料輪齒開裂與組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高等因素有關。

 

1.試驗過程與結果

（1）宏觀觀察

行星齒輪開裂宏觀形貌如圖1、圖2所示。開裂位置均位于齒的兩個端面附近。裂紋熒光檢測顯示如圖3所示，裂紋靠近齒輪兩端，呈八字形貌。裂紋宏觀形貌如圖4所示：端面上裂紋沒有擴展到齒面層（見圖4a），心部裂紋的張口最寬；齒面上的裂紋沒有擴展到端面和齒頂（見圖4b）。

圖1  齒輪全貌、輪齒掉角

圖2  齒輪掉皮、掉角

圖3  熒光檢測的裂紋

（a）端面上裂紋                                （b）齒面上的裂紋

圖4  輪齒端面和齒面上的裂紋

裂紋斷口宏觀形貌如圖5所示，各斷口均呈一定金屬光澤，斷口尺寸較大的輪齒斷口（稱之為輪齒斷口1），心部有一區(qū)域可見光亮的金屬刻面（見圖5a），斷口較小的輪齒斷口（稱之為輪齒斷口2）心部區(qū)域未見明顯的金屬刻面區(qū)（見圖5b）。

（a）輪齒斷口1                             （b）輪齒斷口2

圖5  輪齒斷口1和斷口2的形貌

（2）微觀觀察

將裂紋斷口超聲波清洗后進行微觀觀察。輪齒斷口1的微觀形貌如圖6和圖7所示，裂紋斷口心部形貌具有沿晶斷裂特征。斷口心部金屬刻面區(qū)微觀形貌呈沿晶斷裂特征，且晶粒較粗大，靠近心部區(qū)域呈沿晶+準解理特征，且隨著向邊緣靠近，準解理特征所占比重逐漸增加，滲碳層呈準解理特征。

（a）16×                                    （b） 200×

圖6   輪齒斷口1的微觀形貌

（a）500×                                      （b）500×

圖7  輪齒斷口1滲碳層微觀形貌

輪齒斷口2的斷口微觀形貌與輪齒斷口1相似，斷口心部很小的區(qū)域呈沿晶斷裂特征，且晶粒較粗大，心部其他區(qū)域呈沿晶+準解理特征，滲碳層呈準解理特征。

 

人工打斷B公司和A公司材料的輪齒，斷口均呈等軸韌窩特征，如圖8、圖9所示。

圖8  B公司料斷口（500×）

圖9  A公司料斷口（500×）

對輪齒斷口1的裂紋斷口進行能譜分析，結果如表1所示。裂紋斷口未見明顯異常元素。

表1  能譜分析結果（質量分數(shù)）            （%）

（3）金相檢查

金相檢查取樣：分別在B公司和A公司材料齒輪上從齒頂中心位置截取徑向截面試樣，磨、拋、腐蝕后進行金相組織檢查。B公司和A公司材料輪齒的心部組織均為馬氏體（見圖10、圖11），前者組織較粗大。

圖10  B公司材料的心部組織 

圖11  A公司材料的心部組織  

A公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物呈網(wǎng)狀分布（見圖12），B公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物網(wǎng)狀分布不明顯（見圖13）。

圖12  A公司材料滲碳層金相組織

 圖13  B公司材料滲碳層金相組織   

輪齒斷口1的裂紋斷口沿晶開裂區(qū)附近為馬氏體組織，如圖14所示。B公司材料和A公司材料輪齒心部晶粒形貌如圖15和圖16所示。B公司材料輪齒心部晶粒大小不均勻，且晶粒明顯較A公司材料輪齒心部晶粒粗大。

圖14    斷口沿晶開裂區(qū)附近金相組織  

圖15   B公司材料齒心部晶粒形貌

 圖16   A公司材料齒心部晶粒形貌

（4）硬度測量  分別從A公司材料和B公司材料齒輪上截取垂直于齒輪軸向的橫截面試樣，磨、拋后對齒心部進行顯微硬度測試，結果如表2所示。B公司材料輪齒心部顯微硬度平均值約為465.76HV，高于A公司材料齒心部顯微硬度（427.90HV）。B公司材料輪齒心部顯微硬度轉換成洛氏硬度約為46.5HRC，A公司材料齒心部顯微硬度轉換成洛氏硬度約為44HRC，技術要求36～44HRC。

表2  齒輪齒心部顯微硬度測試結果 （HV）

采用硬度梯度方法對滲碳層深度進行測量，滲層深度以550HV處深度為準，結果如表3所示。A公司材料齒面滲碳層深度為2.148mm，B公司材料齒面滲碳層深度為2.282mm，均符合2.0～2.4mm的技術要求。B公司材料齒面滲碳層硬度和深度均大于A公司材料。

表3 齒輪齒面滲層硬度梯度  （HV）

序號	距離表面/mm	B公司材料	A公司材料
1	0.8	667.15	657.56
2	1.2	636.02	648.19
3	1.6	609.79	598.66
4	2.0	567.04	564.54
5	2.1	559.53	554.61
6	2.2	552.16	544.96
7	2.3	549.73	535.55

2.分析與討論

（1）宏觀觀察顯示，齒端面上裂紋沒有擴展到兩側齒面，齒面上裂紋沒有擴展到端面和齒頂，橫截面上裂紋心部張口最寬，裂紋斷口均未見明顯擴展臺階。由此可判斷，齒輪從輪齒心部首先開裂。

 

（2）微觀觀察顯示，齒輪裂紋斷口的心部，局部呈現(xiàn)沿晶開裂特征，心部其他區(qū)域呈現(xiàn)沿晶+準解理開裂特征。由此可判斷行星齒輪開裂性質為沿晶脆性開裂。

 

（3）裂紋從心部開裂，裂紋斷口心部呈沿晶特征，以及沿晶+準解理特征，而輪齒心部人工打開斷口呈現(xiàn)韌窩特征。由此可判斷，裂紋在高溫內應力作用下形成。裂紋斷口均呈一定的金屬光澤，未見明顯氧化。

 

（4）淬火過程中，滲碳層和基體由于溫差和組織的差異，變形不一致而產(chǎn)生內應力。熱處理產(chǎn)生的內應力都比較復雜。輪齒開裂的部位，均位于輪齒端面附近4個滲碳層交匯的基體及過渡層處，此區(qū)域正好具有較高的內應力。結合熱處理工藝可判斷，裂紋很有可能產(chǎn)生于第二次滲碳后的油淬工藝過程中。

 

（5）金相檢查顯示，B公司材料和A公司材料齒心部組織均為馬氏體。與A公司材料相比，B公司材料馬氏體組織較粗大，輪齒心部晶粒大小不均。

 

（6）硬度測試顯示，B公司材料輪齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高，均會促進淬火過程中裂紋的萌生。

 

（7）A公司材料和B公司材料齒輪，經(jīng)過同爐和相同的熱處理工藝過程，但出現(xiàn)完全不同的結果：A公司材料齒輪完好，而B公司材料掉皮、掉角。由此可判斷，B公司和A公司的原材料應該存在一定差異。

 

3.結語與建議

綜上所述，可得到以下結論：

（1）根據(jù)斷口的宏觀觀察和微觀觀察結果得知，行星齒輪開裂性質為熱處理內應力作用下產(chǎn)生的沿晶脆性開裂。

 

（2）B公司材料馬氏體組織較粗大，心部晶粒大小不均，且較A公司材料晶粒大，輪齒的心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。由此可以判斷，B公司材料輪齒開裂與馬氏體組織粗大、晶粒大且大小不均勻、以及硬度較高等因素有關。

 

（3）行星齒輪材質為高強度中合金滲碳鋼18Cr2Ni4WA。這是一種強度高，韌性、淬透性良好，缺口敏感性低的制造齒輪的高檔材料，但是工藝性能較差，它對原材料的化學成分、晶粒度等的一致性要求較高，否則就會影響熱處理工藝的合理安排。