摘 要:某主動齒輪根部在緊固過程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金 相檢驗、掃描電鏡分析等方法對主動齒輪斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:原材料存在過燒組 織,導(dǎo)致部分晶界融化重熔,重熔區(qū)域存在Cr元素偏聚;晶界因過熱析出大量鐵素體,組織過燒和 過熱會使晶界結(jié)合力喪失,降低其塑性,最終導(dǎo)致主動齒輪發(fā)生斷裂。 

關(guān)鍵詞:主動齒輪;斷裂;過熱;過燒;元素偏聚;鐵素體

中圖分類號:TB31;TG115.2                          文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                    文章編號:1001-4012(2023)07-0055-03

某主動齒輪的齒輪扇根部穿過一根六角型鋼, 通過下方螺栓緊固的方式將兩者夾緊。某公司一批 主動齒輪經(jīng)硬度驗收合格后入庫,在后續(xù)裝配過程 中,擰緊螺栓時,齒輪扇根部發(fā)生斷裂,此時尚未使 用扭力扳手,因此其斷裂強度非常低。按照圖紙標(biāo) 注,該批主動齒輪的材料為20Cr13鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 后,其硬度為20~30HRC。筆者對該主動齒輪進(jìn) 行了一系列理化檢驗,分析其斷裂原因,以避免該類 問題再次發(fā)生。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

斷裂主動齒輪的宏觀形貌如圖1所示,可見斷 裂位置位于結(jié)構(gòu)最薄弱處。圖2為斷口宏觀形貌, 可見斷口為瓷狀斷口,呈灰色,無金屬光澤,無明顯 裂紋源。結(jié)合螺紋孔進(jìn)度方向,判斷斷裂的起始位 置為圖1所示的六邊形外側(cè)。

1.2 化學(xué)成分分析 

依據(jù)GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌 號及化學(xué)成分》,采用真空直讀光譜儀對斷裂主動齒 輪進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,可見該主動齒輪的化學(xué)成分符合GB/T20878—2007的要求。 

1.3 硬度測試 

在主動齒輪的斷裂處取樣,對試樣進(jìn)行硬度測 試,發(fā)現(xiàn)試樣的硬度為21~26HRC,硬度測試結(jié)果 波動較大,但均滿足技術(shù)要求。 

1.4 金相檢驗 

在斷裂主動齒輪斷口附近取樣,對試樣進(jìn)行拋 光,然后用氯化鐵鹽酸水溶液對其進(jìn)行腐蝕,在光學(xué) 顯微鏡下進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知: 試樣的組織主要為鐵素體基體上分布著粒狀滲碳 體,即球化珠光體,沿晶界附近有大量析出物呈灰 色;在珠光體外,部分晶界處分布著黑色帶狀組織, 其中夾雜著白色塊狀組織。

將金相試樣在體積分?jǐn)?shù)為10%的硫酸硝酸溶 液中腐蝕30s,并用清水洗滌,再用脫脂棉擦拭, 重復(fù)3次,進(jìn)行輕微的拋光后置于光學(xué)顯微鏡下 觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:整個試樣表 面呈灰色,上面密集分布著黑色斑點,其中黑色斑 點為腐蝕孔洞,附近基體上的晶界呈白色,并呈斷 續(xù)狀分布,可證實是組織過燒的特征;灰色基體上的晶界呈黑色,為組織過熱的特征[1]。 

1.5 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)對斷口進(jìn)行觀察,結(jié)果如 圖5所示。由圖5可知:從斷裂起始位置到斷裂終 止位置,斷口的微觀形貌無明顯區(qū)別,均呈冰糖顆粒 形狀,屬于沿晶斷裂,但表面不光滑,中間穿插部分 穿晶斷裂,無疲勞輝紋等痕跡,屬于脆性斷裂;發(fā)現(xiàn) 有沿晶界分布的帶狀組織,呈解理斷裂特征。 

為進(jìn)一步明確組織中發(fā)現(xiàn)的黑色帶狀組織和晶界 析出物,將金相試樣置于SEM下進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖6 所示。由圖6可知:沿基體組織晶界析出的是δ鐵素體,為組織過熱的特征[2];黑色帶狀組織為凹坑缺陷, 并沿晶界深入基體,為組織晶界過燒重熔的特征[2];凹 坑中的白色塊狀組織為球形顆粒狀組織。

為進(jìn)一步分析晶界凹坑附近的組織,對金相試 樣進(jìn)行面掃描,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:晶界 析出的鐵素體和凹坑內(nèi)的顆粒狀組織都有明顯的 Cr元素偏聚痕跡,說明凹坑內(nèi)的顆粒為析出鐵素體 重熔后的組織。

2 綜合分析 

由上述理化檢驗結(jié)果可知:主動齒輪存在過熱 和過燒組織,基體中主要為過熱組織,過燒組織在基 體中呈點狀分布。晶界析出鐵素體是過熱的特征,δ 鐵素體是硬脆相,會降低材料強度;晶界上有凹坑, 凹坑內(nèi)的鐵素體呈不規(guī)則球狀,是過燒的特征。過 燒會導(dǎo)致晶界發(fā)生融化并形成凹坑,重熔結(jié)晶產(chǎn)生 鐵素體;過燒會導(dǎo)致晶界結(jié)合力喪失,使其發(fā)生沿晶 斷裂,在晶界上的δ鐵素體帶發(fā)生解理斷裂。過熱 導(dǎo)致Cr元素在晶界偏聚,晶粒內(nèi)Cr元素含量不足, 材料的耐腐蝕性下降。正常情況下,20Cr13鋼調(diào)質(zhì) 后的組織應(yīng)為索氏體[3],但是該主動齒輪的組織為 球化 珠 光 體,為 退 火 組 織,強 度 低 于 索 氏 體。 20Cr13鋼淬透性很強,空冷即可得到馬氏體[4],退 火的冷卻速率較快時,硬度能達(dá)到20HRC以上。 如果回火溫度過高(約750℃),可能形成球化珠光 體[5],硬度也能控制在20HRC以上。目前難以區(qū) 分零件中球化珠光體是退火形成還是回火溫度高導(dǎo) 致,但未能形成索氏體,說明其熱處理工藝控制不 當(dāng),組織不良。

3 結(jié)論與建議 

主動齒輪中存在過熱和過燒組織,導(dǎo)致基體強 度降低,過燒會使晶界結(jié)合力喪失,嚴(yán)重降低其塑 性,且組織不良,在較小作用力下齒輪就會發(fā)生斷 裂。過燒無法通過熱處理解決,只能進(jìn)行報廢處理。 金相檢驗具有破壞性,企業(yè)通常采用硬度測試 作為驗收標(biāo)準(zhǔn),但熱處理屬于特殊工序,硬度測試時 存在極大的局限性,因此仍需要采用過程參數(shù)控制 的方式來控制熱處理工藝。 

參考文獻(xiàn): 

[1] 張菊水.鋼的過熱與過燒[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出 版社,1984. 

[2] 王忠誠.熱處理常見缺陷分析與對策[M].北京:化學(xué) 工業(yè)出版社,2008. 

[3] 韓克甲,曹穎,趙曉輝.法蘭密封螺栓斷裂失效分析 [J].理化檢驗(物理分冊),2017,53(10):768-770. 

[4] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業(yè)出版 社,2006. 

[5] 張平.熱處理工藝對 Cr13型不銹鋼組織和性能的影 響[D].重慶:重慶大學(xué),2005. 

<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:55-57)>