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齒輪在各種機(jī)械傳動中是動力傳遞的主要零件，由于齒輪的熱處理工藝、機(jī)械加工工藝以及零件材料等諸多方面的原因，會導(dǎo)致產(chǎn)生各種缺陷，以至加速了齒輪的局部損壞甚至完全失效。SAE8620H鋼是一種含有鉻、鎳、鉬元素的齒輪用鋼，其化學(xué)成分與我國的20CrNiMo鋼大致相當(dāng)。2017年我廠繼續(xù)加大市場轉(zhuǎn)型力度，在淘汰部分落伍刀具、穩(wěn)固部分刀、量具市場并積極開發(fā)新型、高壽命刀、量具的同時(shí)，大力發(fā)展齒輪業(yè)務(wù)。而且齒輪業(yè)務(wù)目前已經(jīng)開始由商用車齒輪業(yè)務(wù)向乘用車齒輪業(yè)務(wù)成功轉(zhuǎn)型。由于某客戶產(chǎn)能不足，為確保交貨期部分齒輪只好外委熱處理。本廠與另一廠家共同為該客戶供應(yīng)空壓機(jī)齒輪和凸輪軸惰齒輪成品，這兩者互相嚙合。其中我廠負(fù)責(zé)供應(yīng)凸輪軸惰齒輪，兩家企業(yè)的供應(yīng)商按客戶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求來采購SAE8620H鋼為各自供應(yīng)空壓機(jī)齒輪和凸輪軸惰齒輪毛坯（鍛造及預(yù)處理態(tài)）。兩種齒輪模數(shù)為2.54，熱處理技術(shù)要求為滲碳淬火，馬氏體（或殘留奧氏體）級別≤3級，碳化物級別≤3級。表面硬度57～62HRC，心部硬度25～45HRC，有效硬化層深0.41～1.00mm。

 

經(jīng)過各道工序處理后的空壓機(jī)齒輪成品與我廠凸輪軸惰齒輪成品共同發(fā)往客戶處，在某型號發(fā)動機(jī)上裝機(jī)。但客戶在發(fā)動機(jī)盤車過程中發(fā)現(xiàn)兩臺曲軸不能盤動，拆卸檢查后發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)齒輪內(nèi)孔出現(xiàn)了開裂而凸輪軸惰齒輪正常。隨機(jī)抽查風(fēng)險(xiǎn)批次兩臺還沒有裝配的空壓機(jī)顯影檢測發(fā)現(xiàn)其中一臺空壓機(jī)齒輪有微裂紋，隨機(jī)抽查風(fēng)險(xiǎn)批次六臺發(fā)動機(jī)拆解后進(jìn)行顯影檢測發(fā)現(xiàn)其中三臺空壓機(jī)齒輪有微裂紋，隨機(jī)抽查3臺新到貨批次的空壓機(jī)進(jìn)行顯影檢測，發(fā)現(xiàn)其中有兩臺空壓機(jī)齒輪有微裂紋，客戶立即監(jiān)察空壓機(jī)齒輪的裝配過程但并未發(fā)現(xiàn)有異常。

 

應(yīng)客戶要求，客戶直接將盤車中發(fā)現(xiàn)的開裂空壓機(jī)齒輪失效件寄送至我廠復(fù)檢。我廠技術(shù)部門熱加工人員、冷加工人員聯(lián)合質(zhì)量部理化檢查室對于發(fā)生早期失效的齒輪進(jìn)行了材料成分、宏觀組織、顯微組織等各種分析，并委托技術(shù)中心進(jìn)行了電鏡分析，以期找出齒輪早期失效的原因。

 

一、宏觀分析

 

肉眼目測裂紋起始于內(nèi)孔表面，開始段呈現(xiàn)放射狀擴(kuò)展，心部沿著鍛造金屬流線擴(kuò)展，在端部斷口上可以觀察到有反光小刻面。圖1為齒輪外觀圖，圖2顯示出開裂位置（除圈線位置外已經(jīng)全部開裂）。圖3為詳細(xì)的斷口宏觀形貌。

 

二、化學(xué)成分分析

 

使用瑞士產(chǎn)ARL 3460 OES型光譜直讀分析儀對齒輪材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 空壓機(jī)齒輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

元素	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni
齒輪實(shí)測成分	0.21	0.32	0.87	0.58	0.22	0.63
SAE8620H	0.18～0.23	0.15～0.35	0.70～0.90	0.45～0.65	0.15～0.25	0.4～0.7

根據(jù)該表實(shí)測的數(shù)據(jù)得出：齒輪的化學(xué)成分符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SAE8620H齒輪鋼供貨技術(shù)協(xié)議》中SAE8620H鋼的技術(shù)要求。

 

三、斷口分析

 

裂紋起始于內(nèi)孔的內(nèi)壁、深度約0.5mm（見圖4斷口低倍形貌），斷口未見明顯典型的疲勞特征，由斷口觀察推斷齒輪為一次性開裂。外委技術(shù)中心使用SU-70場發(fā)射掃描電鏡對于斷裂面進(jìn)行常規(guī)超聲波清洗以后做SEM觀測形貌。裂紋源區(qū)域的斷口呈現(xiàn)為冰糖狀沿晶脆性斷裂，表層斷口顏色比較深，可觀測到輕微氧化現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)原始裂紋、非金屬夾雜和折疊等原始缺陷，如圖5所示。樣品其他的位置的表層斷口表現(xiàn)為冰糖狀沿晶斷口和撕裂的混合斷裂，如圖6所示。纖維狀區(qū)域斷口是韌窩狀態(tài)的韌性斷裂，斷口呈現(xiàn)出帶狀，在帶狀的底部可觀察到條狀硫化物非金屬夾雜，如圖7、圖8所示。宏觀下觀測到的反光小刻面區(qū)域斷口為河流狀解理和韌窩的混合斷裂，如圖9、圖10所示。內(nèi)孔圓弧面上面有泥溝狀態(tài)的磨削紋路，斷口附近有垂直于磨削方向，平行于斷面的微裂紋，局部還有斷斷續(xù)續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀微裂紋，如圖11、圖12所示。

 

 

 

 

四、金相分析

 

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，將空壓機(jī)齒輪的齒部和開裂部位制樣磨拋好，用4%硝酸酒精腐蝕，并使用NEOPHOT32型金相顯微鏡對于齒部和開裂部位進(jìn)行微觀組織檢測。檢測條件為31℃，濕度52%RH。在斷裂處取樣進(jìn)行金相組織分析，非金屬夾雜物評級為：細(xì)系硫化物級別0.5級、細(xì)系氧化鋁類級別0.5級、細(xì)系硅酸鹽類級別0.5級、細(xì)系球狀氧化物類級別0.5級、單顆粒非金屬夾雜物局部級別1級。齒部表層內(nèi)氧化層級別3級，齒輪齒部節(jié)圓表層金相組織為回火針狀馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，碳化物級別2級，殘余奧氏體及馬氏體級別2級，如圖13、圖14所示。齒部心部金相組織為板條馬氏體1級，如圖15所示。內(nèi)孔表層金相組織為回火針狀馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，碳化物級別2級，殘留奧氏體及馬氏體級別2級，如圖16所示。內(nèi)孔心部金相組織為板條馬氏體+貝氏體，級別為3級，如圖17所示。

圖13 齒部表層內(nèi)氧化層（500×）

圖14 齒部表層金相組織（500×）

圖15 齒部心部金相組織（500×）

圖16 內(nèi)圈表層金相組織（500×）

圖17 內(nèi)圈心部金相組織（500×）

 

五、心部硬度、內(nèi)孔部位及端面部位層深分析

 

用HR-150A型洛氏硬度計(jì)依據(jù)GB/T 230—1991《金屬洛氏硬度實(shí)驗(yàn)方法》測試齒的心部硬度為37HRC滿足技術(shù)指標(biāo)要求，用恒一F-700型維氏顯微硬度計(jì)依據(jù)GB9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，同時(shí)參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)序列當(dāng)中的滲碳淬火標(biāo)準(zhǔn)《齒輪滲碳及熱處理工藝規(guī)程》，用1kg載荷進(jìn)行表面硬度、硬度梯度以及有效硬化層深的測量，與國標(biāo)不同的是此處檢測以515HV處作為有效硬化層深的判定界限，將硬度梯度測試結(jié)果用曲線圖形式予以表達(dá)，縱坐標(biāo)為維氏硬度，橫坐標(biāo)為測試點(diǎn)離開表面的距離，點(diǎn)連線表示硬度隨著距離變化的趨勢，以硬度法為準(zhǔn)，515HV處作為評價(jià)界限。對內(nèi)孔部位測量滲碳淬硬層深，測得硬化層深為0.480mm；對端面部位測量滲碳淬硬層深，測得硬化層深為0.798mm，推測內(nèi)孔磨削余量超過0.3mm。如圖18、圖19所示。

 

六、磁粉探傷分析

 

經(jīng)過實(shí)體顯微鏡觀察和磁粉探傷發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔表面存在有大量的磨削裂紋，部分裂紋貫穿整個(gè)磨削面，貫穿裂紋之間還有很多細(xì)小裂紋，總共在試樣內(nèi)孔的5mm圓周范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了6條裂紋，使用CJW—4000型磁粉探傷機(jī)探傷內(nèi)孔磨削裂紋形貌如圖20所示。

 

圖 20

七、分析與討論

 

1.原因分析

非金屬夾雜物往往脆性大而且強(qiáng)度低，與金屬基體組織膨脹系數(shù)差別很大，非金屬夾雜物的邊緣部位應(yīng)力分布極其不均勻，其存在破壞了金屬材料基體的連續(xù)性，使材料組織的脆性增大，韌性降低。條狀硫化物非金屬夾雜的存在是由于材料自身的雜質(zhì)元素未得到有效凈化而引起。但是其延展性比較好。同時(shí)失效件的條狀硫化物非金屬夾雜級別很低，并沒有超出客戶企標(biāo)規(guī)定的級別，因此該缺陷并不是導(dǎo)致內(nèi)孔開裂的主因。

 

磨削滲碳淬火鋼齒輪時(shí)容易發(fā)生磨削裂紋。一般產(chǎn)生于磨削表面，從本例中失效件的裂紋形態(tài)來看磨削裂紋垂直于磨削方向呈現(xiàn)平行分布，屬于比較輕的第一類磨削裂紋。還沒有達(dá)到呈現(xiàn)嚴(yán)重龜甲狀第二類磨削裂紋的程度。

 

磨削裂紋的出現(xiàn)往往是由內(nèi)部應(yīng)力誘發(fā)所導(dǎo)致，主因是磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱，磨削接觸區(qū)溫度可達(dá)400℃以上，磨削接觸點(diǎn)溫度可達(dá)1000℃以上，磨削熱導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織相變而引起體積變化的相變應(yīng)力。

 

滲碳淬火齒輪的金相組織里的馬氏體和殘留奧氏體都是不穩(wěn)定相，而且處于膨脹狀態(tài)。磨削時(shí)產(chǎn)生的高熱使砂輪與齒輪接觸區(qū)表面溫度快速升高，當(dāng)達(dá)到100～200℃并且迅速冷卻時(shí)必然會收縮但僅發(fā)生在表面，此時(shí)基體仍然處于馬氏體膨脹狀態(tài)，從而使得表面承受為拉應(yīng)力而產(chǎn)生微裂紋。繼續(xù)磨削將產(chǎn)生大量磨削熱，溫度升高到200～300℃，體積再次膨脹，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到300～400℃時(shí)表層會發(fā)生相變引起體積縮小造成表面的收縮再次形成裂紋。馬氏體的膨脹收縮隨鋼中含碳量的增加而增大，所以滲碳淬火SAE8620H鋼內(nèi)孔的滲碳表面產(chǎn)生磨削裂紋尤其敏感。同時(shí)淬火鋼里的殘留奧氏體因磨削熱轉(zhuǎn)變成新馬氏體集中在內(nèi)孔表面又增加表面應(yīng)力，此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行磨削將會加速產(chǎn)生磨削裂紋。從內(nèi)孔的外部受力來看磨削時(shí)表面和砂輪接觸，內(nèi)孔表面既受壓應(yīng)力又受拉應(yīng)力使磨削表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力也助長磨削裂紋的形成。

 

2.改善措施

根據(jù)磨削裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，為了消除該缺陷需要從熱加工方面和冷加工方面共同著手改善：

 

熱加工方面考慮到磨削裂紋產(chǎn)生的根源是滲碳淬火件的馬氏體組織處于膨脹狀態(tài)導(dǎo)致有應(yīng)力存在，所以淬火后應(yīng)當(dāng)立即回火處理以減少或者消除應(yīng)力。為了防止本例中的程度比較輕的第一類磨削裂紋，應(yīng)當(dāng)在不造成齒輪硬度降低的前提下于150～200℃內(nèi)進(jìn)行回火；如果回火一次后仍然還會產(chǎn)生磨削裂紋則必須要進(jìn)行二次回火或者人工時(shí)效處理。另外對于剛出爐的齒輪待冷卻到常溫后再磨削。

 

冷加工方面考慮到磨削裂紋產(chǎn)生原因是磨削熱，則消除途徑是通過減少磨削熱的產(chǎn)生和加速磨削熱的傳導(dǎo)散發(fā)這兩個(gè)途徑處理，分如下四個(gè)方面入手；

 

（1）采用良好的冷卻措施，保證工件得到良好的冷卻，選用性能比較好的磨削液，加大磨削液流量，提高磨削液的壓力，改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)或者采用噴霧冷卻，保證磨削液最大限度進(jìn)入磨削區(qū)域，帶走大部分磨削熱量，采用砂輪內(nèi)冷方式以改善冷卻條件。

 

（2）合理選擇磨削用量，提高工件轉(zhuǎn)速和工件軸向進(jìn)給量使砂輪和齒輪同一部位接觸時(shí)間變短，則砂輪對于接觸面的加熱時(shí)間縮短，傳入到工件表層的熱量大大減少。由于磨削深度對于磨削熱的影響最大，為避免磨削熱的大量產(chǎn)生，在兼顧生產(chǎn)效率的前提下選擇比較小的磨削深度。

 

（3）將磨削過程分為粗磨和精磨，粗磨用粒度比較粗的砂輪，便于強(qiáng)力磨削，提高切削效率；精磨用粒度比較細(xì)的砂輪便于保證工件表面光潔度。

 

（4）砂輪的合理選用和修整：滲碳淬火齒輪硬度高，為降低磨削熱量在加工中選用硬度比較軟，組織疏散，磨料脆性比較大的砂輪，提高砂輪的自銳性保持良好的切削能力，同時(shí)保證光潔度的前提下選擇比較粗的粒度。合理選擇砂輪修整用量并且及時(shí)修整砂輪。

 

八、結(jié)論

 

（1）齒輪為一次性開裂。

（2）齒輪開裂首先是磨削裂紋為根源，而后在受到外力的作用下時(shí)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展并引發(fā)開裂。

（3）硬度和金相組織未見異常。

 

九、后續(xù)措施

 

為了有效貫徹不合格品不生產(chǎn)，不接受，不流出的原則，在繼續(xù)保證滲碳熱處理過程是受控的前提下，根據(jù)本廠發(fā)布的裂紋分析報(bào)告和熱、冷加工工藝給出的建議，該空壓機(jī)齒輪供應(yīng)商對于內(nèi)孔磨削過程監(jiān)審中發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)異常點(diǎn)作以下處置：鎖定磨削參數(shù)設(shè)置，有效禁止操作者隨意進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，固化程序，優(yōu)化設(shè)備；固定磨削液流量和冷卻位置；增加空壓機(jī)齒輪安裝孔的磨削燒傷檢測并且與客戶商議確定接受標(biāo)準(zhǔn)。除了每個(gè)班次的首末件應(yīng)當(dāng)要進(jìn)行磨削燒傷檢測之外，在每更換一次砂輪時(shí)都增加一件齒輪的磨削燒傷檢測并出具磁粉探傷報(bào)告。在實(shí)施以上諸項(xiàng)措施后未再出現(xiàn)該磨削開裂現(xiàn)象。

 

磨削工藝不當(dāng)是造成內(nèi)孔裂紋及失效的根本原因，通過調(diào)整優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，選用合適的磨削進(jìn)給量和磨削余量，改進(jìn)磨削工藝質(zhì)量控制流程，增加抽檢頻次，使得該質(zhì)量問題得到了有效解決。

作者：楊鍇

單位：東風(fēng)汽車有限公司刃量具廠