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某公司生產(chǎn)的齒輪腹板在滲碳結束出爐空冷的過程中發(fā)現(xiàn)開裂，材質(zhì)為20CrMnMo鋼，加工工藝為：毛坯→鍛造→倒角、制圓、鐓粗→柔鍛、沖孔→精鍛→正火→探傷→粗車→探傷→調(diào)質(zhì)→半精加工→滾齒→滲碳→精加工→成品。為了查明該裂紋產(chǎn)生的原因，筆者對其進行了檢驗和分析。

1.理化檢驗

（1）宏觀形貌

齒輪的腹板上分布有明顯的裂紋。裂紋宏觀形貌見圖1，將送檢齒輪試樣從裂紋處切取分開，斷口宏觀形貌見圖2，裂紋貫穿整個齒輪，斷口較平整，呈脆性斷口的特征。由斷口宏觀形貌判斷裂紋由齒輪的腹板兩面起裂，最后交會在一起，使得齒輪裂透。

圖1齒輪腹板裂紋宏觀形貌 

圖2 斷口宏觀形貌

（2）化學成分分析

對送檢齒取樣進行化學成分分析，結果見表1，軸齒輪成分符合GB/T 3077—1999《合金結構鋼》的要求。對送檢的試樣進行H含量測定，測得H元素含量平均值為1.63×10^-6。

表1 齒輪腹板化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

 （3）金相分析

沿著斷口取金相樣，拋光后在顯微鏡下觀察，斷口拋光態(tài)形貌見圖3，斷口附近未發(fā)現(xiàn)異常夾雜物。在斷口表面上發(fā)現(xiàn)有一層致密的氧化物，氧化物層厚度大約為45μm。

圖3 斷口拋光態(tài)形貌

將齒輪斷口金相試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕，有效滲碳層測量結果見表2，測量值符合技術要求（4.6 ~ 4.8mm）。將腐蝕態(tài)試樣置于光學顯微鏡下觀察，滲碳層腐蝕態(tài)形貌見圖4，滲碳層組織為：珠光體+沿晶界分布的網(wǎng)格狀碳化物，且越接近表面網(wǎng)格狀碳化物越粗大，另齒輪表面發(fā)生了脫碳，脫碳層厚度約為69μm。斷口腐蝕態(tài)形貌見圖5，斷口表面有氧化物層，斷口附近金相組織為：珠光體+鐵素體，組織正常，無脫碳或滲碳現(xiàn)象。遠離斷口齒輪基體的金相組織為：珠光體+鐵素體，見圖6。

表2 有效滲碳層厚度（mm）

圖4  滲碳層金相組織（500×）

圖5  斷口附近金相組織（100×）

圖6  齒輪基體金相組織（100×）

（4）微觀斷口分析

取斷口試樣，清洗后置于掃描電鏡下觀察，斷口形貌見圖7、圖8，斷口表面覆蓋有較厚的氧化物層，無法觀察到斷口的原始形貌。斷口表面能譜分析結果見表3，斷口表面氧化物層中主要含鐵和氧元素。

圖7 斷口形貌（22×）

圖8 斷口形貌（500×）

表3  能譜分析結果（%）

2.分析討論

化學分析結果表明，齒輪材料成分符合GB/T 3077—1999的要求。齒輪H元素的含量不高。金相分析結果顯示，齒輪斷口附近沒有發(fā)現(xiàn)異常的夾雜物，斷口表面有致密的氧化物層。齒輪表面發(fā)生了脫碳，且滲碳層厚度符合要求，滲碳層中沿晶界分布有粗大的網(wǎng)格狀碳化物。齒輪斷口處金相組織與基體金相組織相同，均為珠光體+鐵素體組織。

由齒輪斷口宏觀形貌判斷，齒輪裂紋由腹板兩面起裂，并最終交匯在一起，使得齒輪裂透。斷口能譜分析結果顯示表面氧化物層中主要是鐵與氧的化合物。

由金相分析結果顯示，斷口附近金相組織未發(fā)現(xiàn)滲碳現(xiàn)象，驗證了齒輪是在滲碳后的冷卻過程中發(fā)生開裂的。齒輪滲碳層中沿晶界分布有粗大的網(wǎng)格狀碳化物，該碳化物是由滲碳工藝處理不當引起的，而滲碳層中粗大的碳化物容易導致齒輪在滲碳空冷時發(fā)生開裂。齒輪在滲碳空冷時存在較大的熱應力，表層由于形成了粗大的網(wǎng)格狀碳化物，阻礙了基體的連續(xù)性，導致在網(wǎng)格狀碳化物處形成應力集中而發(fā)生開裂。

3.結語

齒輪腹板的裂紋是在滲碳出爐冷卻過程中發(fā)生的，齒輪滲碳處理不當導致滲碳層中形成了粗大的網(wǎng)格狀碳化物，網(wǎng)格狀碳化物增加了齒輪脆性開裂的傾向，在熱應力的作用下使齒輪腹板發(fā)生了開裂。