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作者：陳亮，吳剛，譚小明等

 

單位：中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

 

18CrNiMo7-6鋼常用來制造大型從動(dòng)齒輪，滲碳淬火后，齒面具有優(yōu)良的耐磨性能，心部具有很好的彎曲疲勞強(qiáng)度和抗沖擊性能。某公司生產(chǎn)的大型盤類從動(dòng)齒輪，加工工藝為：鍛造→粗車→正火→半精車→滾齒→滲碳、高回→減輕孔加工→淬、回火→精車→鉆油孔→磨齒→磁粉探傷→噴丸→清洗；在清洗后發(fā)現(xiàn)三件產(chǎn)品內(nèi)孔環(huán)油槽部位出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，因此對(duì)該齒輪油槽的開裂原因進(jìn)行調(diào)查分析。

 

一、檢測(cè)方法

 

首先對(duì)齒輪進(jìn)行宏觀形貌分析，然后對(duì)齒輪油槽開裂部位線切割取樣，清洗后，置入掃描電鏡中進(jìn)行顯微形貌分析和能譜分析；然后在齒輪內(nèi)孔油槽處和壁厚中心取樣，在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析。最后在裂紋源部位切取樣品，經(jīng)打磨、拋光等金相制樣后，用顯微硬度計(jì)對(duì)滲層進(jìn)行硬化層深度檢測(cè)，在金相顯微鏡上檢查其金相組織、非金屬夾雜物等。

 

二、試樣檢測(cè)

 

1.宏觀形貌檢查

該從動(dòng)齒輪斷口宏觀形貌如圖1所示，由圖可知：

 

（1）開裂發(fā)生于環(huán)油槽處，且分布于整個(gè)油槽環(huán)向。

 

（2）整個(gè)斷口呈一次性斷裂特征，斷面無氧化、腐蝕跡象。

 

（3）根據(jù)裂紋收斂方向可知：斷面上近內(nèi)孔側(cè)油槽兩側(cè)淺表層存在兩處裂紋源（見圖1b中紅色箭頭），并將其分別編號(hào)為A、B。

（a）

 

2.微觀形貌檢查

將A、B裂紋源清洗后放入掃描電鏡觀察其微觀形貌并進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示：

 

（1）裂紋源A遠(yuǎn)離油孔，位于淺表層1.5mm處，裂紋源處聚集分布著粗顆塊狀MnS夾雜物，裂紋自該處向周圍擴(kuò)展，如圖2、圖3所示。

 

（a）

 

（b）

圖2  裂紋源A微觀形貌

 

 

（2）裂紋源B距離油孔約3mm位于淺表層4mm處，該區(qū)域同樣聚集分布著大量粗顆粒狀MnS夾雜物，裂紋自該處向周圍擴(kuò)展，如圖4、圖5所示。

 

 

對(duì)裂紋源B和其附近的擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行半定量元素能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：裂紋源B處S、Mn含量約為附近擴(kuò)展區(qū)的兩倍，其余元素相當(dāng)，再次證明裂紋源處存在較為嚴(yán)重的MnS夾雜物偏聚現(xiàn)象，具體如圖6、表1、圖7、表2所示。

 

表1   裂紋源B區(qū)光譜分析結(jié)果

元素	重量百分比(%)	原子百分比(%)
O	5.77	17.43
Si	0.53	0.90
S	0.78	1.18
Cr	1.83	1.70
Mn	1.47	1.29
Fe	88.20	76.33
Ni	1.42	1.17
總量	100.00	100.00

 

表2  裂紋源B附近擴(kuò)展區(qū)光譜分析結(jié)果

元素	重量百分比(%)	原子百分比(%)
O	4.22	13.24
Si	0.45	0.80
S	0.26	0.40
Cr	1.85	1.79
Mn	0.78	0.71
Fe	91.04	81.86
Ni	1.40	1.20
總量	100.00	100.00

3.低倍組織檢查

結(jié)合該從動(dòng)齒輪生產(chǎn)工藝和微觀形貌中MnS的分布形態(tài)，對(duì)內(nèi)孔邊緣進(jìn)行低倍檢查，結(jié)果顯示：距離內(nèi)孔邊緣約15mm范圍內(nèi)存在明顯的枝晶偏析，說明該處鍛造比不足，見圖8。此外，內(nèi)孔油槽邊緣無明顯的硬度降，說明內(nèi)孔油槽邊緣無有效硬化層，見圖9，這跟滲碳淬火時(shí)內(nèi)孔進(jìn)行防滲相符。

 

4.金相檢查

解剖1個(gè)齒塊進(jìn)行金相檢查，節(jié)圓、齒根的金相組織、滲碳有效硬化層深、表面硬度都符合技術(shù)要求，在裂紋源處取樣進(jìn)行金相檢查，兩裂紋源處金相組織為馬氏體+貝氏體，斷口邊緣未見氧化、脫碳、網(wǎng)狀碳化物等熱處理缺陷，結(jié)合齒輪生產(chǎn)工藝可判斷其為淬火裂紋，如圖10所示。值得注意的是，遠(yuǎn)離裂紋源處非金屬夾雜物級(jí)別為A0.5e、D0.5潔凈度較好。

 

（a）裂紋源A金相（100×）

 

（b）裂紋源B金相（100×）

圖  10

 

5.化學(xué)成分檢查

鑒于裂紋源（大顆粒MnS的聚集位置）的分布位置主要集中于內(nèi)孔油槽邊緣，特對(duì)非裂紋源部位的內(nèi)孔表面和壁厚中心取樣進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，結(jié)果見表3，四處化學(xué)成分相當(dāng)，各元素含量正常，說明MnS的偏聚現(xiàn)象僅存在于內(nèi)孔邊緣個(gè)別部位，而非整個(gè)環(huán)向。

表3    齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）  （%）

試樣編號(hào)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo
內(nèi)孔表面1	0.18	0.31	0.69	0.020	0.006	1.65	1.54	0.30
內(nèi)孔表面2	0.18	0.31	0.69	0.020	0.006	1.65	1.54	0.30
壁厚中心1	0.18	0.30	0.68	0.019	0.007	1.64	1.52	0.30
壁厚中心2	0.18	0.30	0.68	0.021	0.007	1.63	1.53	0.30

 

三、內(nèi)孔油槽開裂原因分析

 

解剖了3個(gè)失效齒輪進(jìn)行分析，3個(gè)解剖分析結(jié)果完全一致。從裂紋外觀來看，整個(gè)斷口呈一次性斷裂特征，斷面無氧化、脫碳等熱處理現(xiàn)象，說明熱處理前此裂紋不存在；查該批齒輪的滲碳淬火裝爐記錄，發(fā)現(xiàn)3個(gè)開裂的齒輪分屬于不同的滲碳淬火爐次，且該齒輪的熱處理工藝是成熟工藝，之前使用過該工藝滲碳淬火，未發(fā)生內(nèi)孔開裂現(xiàn)象，從解剖的齒塊檢測(cè)結(jié)果可以看出，有效硬化層深、金相組織、表面硬度、心部硬度等指標(biāo)都是合格的，所以可以排除熱處理工藝是開裂的主要原因。

 

查該產(chǎn)品的鍛造工藝，發(fā)現(xiàn)該齒輪在鍛造過程中，由于設(shè)備限制的原因，未使用沖孔工序，而是先鍛造出一個(gè)淺的盲孔，然后通過車削的方式加工出內(nèi)孔。這樣做的弊端是造成內(nèi)孔鍛造比不足，存在枝晶偏析現(xiàn)象（見圖8），未能改善內(nèi)孔處原材料的組織與性能，因?yàn)殇撳V中心部位本身容易產(chǎn)生偏析和夾雜物聚集，未沖孔和擴(kuò)孔可能造成夾雜物無法被揉開打散，內(nèi)孔邊緣部位的鍛造比也會(huì)比較低，從而造成內(nèi)孔部位成為一個(gè)薄弱部位。在圖2～圖7中可以看出，內(nèi)孔油槽裂紋源處的MnS夾雜物電鏡形貌呈聚集狀態(tài)，且單顆粒的寬度超過30μm以上，這個(gè)已經(jīng)遠(yuǎn)超GB/T 10561標(biāo)準(zhǔn)中A類夾雜物的寬度范圍。正是存在大顆粒聚集的硫化物影響了基體的連續(xù)性，導(dǎo)致在遠(yuǎn)低于材料本身強(qiáng)度的應(yīng)力條件下出現(xiàn)裂紋。該批3個(gè)失效齒輪使用的是同一個(gè)母爐號(hào)的原材料，該爐原材料在某些位置存在大顆粒MnS夾雜物偏聚，由于未沖孔和擴(kuò)孔，在鍛造時(shí)偏聚在內(nèi)孔油槽附近的MnS夾雜物未能被有效的去除或打散，同時(shí)由于油槽位置結(jié)構(gòu)敏感，容易形成應(yīng)力集中，使油槽位置成為最弱的“一環(huán)”。

 

齒輪在滲碳淬火過程中，存在熱脹冷縮，首先會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；另外，由于表層和心部碳含量有差異，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)Ms不一樣，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的程度和順序都不一樣，這樣就會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。

 

熱處理產(chǎn)生的多種應(yīng)力在薄弱處耦合，然后進(jìn)行應(yīng)力釋放，首先會(huì)出現(xiàn)微裂紋，裂紋會(huì)慢慢變大，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于極限長(zhǎng)度時(shí)，裂紋將迅速擴(kuò)展失穩(wěn)，最終導(dǎo)致齒輪斷裂失效。在本文中，內(nèi)孔油槽處由于鍛造比不足，存在枝晶偏析，而且存在大顆粒的MnS夾雜物偏聚，導(dǎo)致最后熱處理應(yīng)力、加工應(yīng)力等在油槽夾雜物偏聚部位進(jìn)行釋放，最后擴(kuò)展形成環(huán)形裂紋。

 

經(jīng)以上分析可見，齒輪油槽開裂的主要原因集中于：

 

（1）齒輪內(nèi)孔邊緣鍛造比不足，存在枝晶偏析，同時(shí)內(nèi)孔油槽附近存在大顆粒MnS夾雜物偏聚現(xiàn)象，使內(nèi)孔油槽處成為薄弱部位，這是內(nèi)孔油槽開裂的主要原因。

 

（2）齒輪滲碳淬火時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，當(dāng)兩種應(yīng)力耦合，會(huì)在薄弱部位進(jìn)行釋放，導(dǎo)致內(nèi)孔油槽內(nèi)側(cè)出現(xiàn)裂紋。

 

（3）加工油槽和油孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力，應(yīng)力慢慢釋放，使裂紋加速向油槽擴(kuò)展，導(dǎo)致最后出現(xiàn)環(huán)形裂紋。

 

四、結(jié)論和建議

 

基于以上分析，得到以下結(jié)論和建議：

 

（1）整個(gè)開裂斷口呈一次性斷裂特征，斷面無氧化、腐蝕跡象，齒輪油槽淺表層存在兩處裂紋源，裂紋源處存在大顆粒的MnS夾雜物偏聚現(xiàn)象，且齒輪內(nèi)孔邊緣鍛造比不足，存在枝晶偏析現(xiàn)象。

 

（2）齒輪滲碳淬火時(shí)產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，當(dāng)兩種應(yīng)力耦合時(shí)，會(huì)在內(nèi)孔油槽薄弱部位進(jìn)行釋放，導(dǎo)致內(nèi)孔油槽內(nèi)側(cè)出現(xiàn)裂紋，加工油槽和油孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力，應(yīng)力慢慢釋放，使內(nèi)側(cè)裂紋加速向油槽擴(kuò)展，導(dǎo)致出現(xiàn)環(huán)形裂紋。

 

（3）為避免此項(xiàng)問題的再次發(fā)生，建議增加非金屬夾雜物的檢測(cè)頻次及對(duì)非金屬夾雜物的長(zhǎng)度、寬度、數(shù)量等進(jìn)行嚴(yán)格控制；同時(shí)要求在該系列從動(dòng)齒輪鍛造時(shí)必須沖孔和擴(kuò)孔，且內(nèi)孔鍛造比不應(yīng)小于4。