摘 要:采煤機(jī)減速箱用軸齒輪在倉庫存放期間發(fā)生貫穿性軸向縱裂,采用宏觀分析、化學(xué)成分 分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、斷口分析以及金相檢驗(yàn)等方法,并結(jié)合軸齒輪具體加工工藝對(duì)軸齒輪開裂原 因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該軸齒輪裂紋為氫致延遲裂紋,在氫和內(nèi)應(yīng)力的共同作用下,在軸齒輪 表層非馬氏體組織所在的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生微裂紋,加之后續(xù)回火不充分,微裂紋不斷擴(kuò)展,最終 導(dǎo)致軸齒輪縱向開裂. 

關(guān)鍵詞:軸齒輪;開裂;非馬氏體組織;氫致延遲裂紋 

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５４０Ｇ０５

采煤機(jī)用滲碳齒輪鋼具有良好的淬透性及沖擊 韌性,經(jīng)滲碳淬火熱處理后具有高的接觸疲勞強(qiáng)度、 疲勞極限、硬度和耐磨性[１].該鋼種是一種高級(jí)優(yōu) 質(zhì)鋼,為達(dá)到優(yōu)異的綜合性能,熱處理過程要求極 嚴(yán),稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生各種問題[２].某公司生產(chǎn)的 ?１６０mm 規(guī)格１８Cr２Ni２WA 鋼軸齒輪主要熱處理 工藝為:毛坯粗車 → 正火 → 調(diào) 質(zhì) 處 理 → 滾 齒 → 滲 碳→淬火→深冷處理→低溫回火.該軸齒輪在成品 進(jìn)貨檢驗(yàn)過程中未見異常,而在倉庫放置４個(gè)多月 后發(fā)生貫穿性軸向延遲性開裂.該型號(hào)軸齒輪是采 煤機(jī)減速箱關(guān)鍵傳動(dòng)件,使用過程中一旦發(fā)生失效, 會(huì)對(duì)煤礦生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響和重大經(jīng)濟(jì)損失.為查 找該軸齒輪開裂的原因,筆者采用宏觀分析、化學(xué)成 分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、斷口分析以及金相檢驗(yàn)等方 法,并結(jié)合軸齒輪具體加工工藝對(duì)開裂軸齒輪進(jìn)行 了檢驗(yàn)和分析,并提出了改進(jìn)措施. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 宏觀分析 

軸齒輪裂紋宏觀形貌如圖１a)所示,裂紋沿縱 向分布,走向平直,齒輪近大齒一側(cè)軸端面裂紋沿直 徑貫穿圓截面,另一端裂紋擴(kuò)展長度不足端面直徑 一半,如圖１b)所示.將軸齒輪裂紋打開,斷口呈現(xiàn) 結(jié)晶狀斷口形貌,裂紋源見圖２箭頭所指區(qū)域,該區(qū) 域平整呈扇形,斷面接著扇形裂紋源區(qū)向外呈放射 狀,而后向四周擴(kuò)展,該扇形區(qū)對(duì)應(yīng)圖１中箭頭所指 的軸承擋臺(tái)階與裂紋相交處.觀察開裂零件,圖１箭頭所指軸承擋臺(tái)階處有一個(gè)寬約３ mm 的退刀 槽,軸徑及表面粗糙度均在該處發(fā)生突變.觀察軸 輪齒斷口,可見斷口平坦,局部有小凸起,邊緣均呈 不同程度放射狀,由裂紋宏觀形貌以及斷口形貌可 判斷,該軸齒輪內(nèi)應(yīng)力較大.沿軸齒斷口平行面取 樣,如圖３所示,經(jīng)檢測(cè)整個(gè)截面未見缺陷.

１．２ 化學(xué)成分分析 

在失效軸齒輪上取樣,采用 ARL３４６０ 直讀光 譜 儀分析其化學(xué)成分,結(jié)果見表１,可見其各元素含量均符合 GB/T３０７７－２０１５對(duì)１８Cr２Ni２WA 鋼成 分的技術(shù)要求.

１．３ 力學(xué)性能試驗(yàn)

在開裂軸齒輪花鍵端近１/２半徑處取樣,分別 對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn),結(jié)果見表２,可見軸 齒輪的各項(xiàng)力學(xué)性能均符合相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求.由 沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知,該齒輪的韌性較好.

對(duì)軸齒輪齒部進(jìn)行硬度及有效硬化層深度檢 測(cè),齒面及齒頂硬度為 ５９~６１ HRC,心部硬度為 ３６~３９HRC,零件齒部節(jié)圓附近有效硬化層深度 為１．６５mm,均符合該軸齒輪圖紙技術(shù)要求. 

１．４ 斷口分析 

在軸齒輪裂紋源處取樣進(jìn)行超聲波清洗,采用 HITACHISＧ３４００N 掃 描 電 鏡 觀 察 其 形 貌,結(jié) 果 如 圖４所示.可見裂紋源處斷裂方式以沿晶為主,在沿 晶面上存在較多發(fā)紋,呈典型脆性斷裂特征,未見明 顯夾雜物;圖４b)中局部可見碎塊狀斷口形貌特征, 斷裂晶面上出現(xiàn)較明顯層片狀特征,局部呈現(xiàn)雞爪紋形貌,上述均為典型的氫致?lián)p傷缺陷微觀形貌特征. 觀察圖４c)可發(fā)現(xiàn),斷裂面局部區(qū)域在斷裂過程中形 成較多韌窩,沿晶斷裂與撕裂棱上的韌窩共存也是氫 致開裂的特征之一.高倍下觀察可見斷面存在氧化, 推測(cè)可能是試樣開裂后存放過程中空氣氧化所致.

擴(kuò)展區(qū)斷口形貌如圖５所示,可見擴(kuò)展區(qū)斷裂 方式也是以沿晶斷裂為主,未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物,斷口 呈現(xiàn)沿晶、準(zhǔn)解理和韌窩的混合斷裂形貌,局部區(qū)域 存在二次裂紋.圖５b)中斷裂晶面上氫致延遲裂紋 斷口的層片狀特征明顯.

１．５ 金相檢驗(yàn) 

將斷口 試 樣 垂 直 斷 裂 面 制 成 金 相 試 樣,采 用 NEOPHOTＧ２１型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察,拋光態(tài)下 未見異常夾雜物,腐蝕態(tài)下斷口邊緣未見氧化脫碳. 近軸表面裂紋源處觀察到微裂紋,如圖６所示,裂紋 呈沿晶分布,并與斷裂面大體平行,裂紋周邊未見脫 碳,亦無夾雜物.

在裂紋源附近從軸齒輪滲碳表面到心部方向取 樣,并進(jìn)行顯微組織觀察,發(fā)現(xiàn)滲碳表面顯微組織為隱針馬氏體＋殘余奧氏體＋黑色網(wǎng)狀非馬氏體組 織[３],如圖７a)所示,滲碳表面未見氧化脫碳.近表 面的顯微組織如圖７b)所示,為細(xì)針狀馬氏體＋隱 針馬氏體＋殘余奧氏體＋黑色網(wǎng)狀非馬氏體組織, 表層非馬氏體組織為異常組織,其含量由表層向內(nèi) 層逐漸減少.圖７c)為拋光態(tài)未侵蝕表層試樣的微 觀形貌,可見零件滲碳表面有晶間氧化現(xiàn)象.

軸齒輪心部顯微組織如圖８a),b)所示,圖８a) 處為粗大板條馬氏體和貝氏體,圖８b)處為貝氏體 和板條馬氏體.上述兩處顯微組織晶粒度差異較 大,說明零件心部顯微組織不均勻. 

通過了解軸齒輪熱處理工藝,除花鍵采取防滲 碳措施外,其他部位均進(jìn)行滲碳處理,筆者對(duì)軸端和 齒部從滲碳表面到心部組織都進(jìn)行了顯微組織觀 察,發(fā)現(xiàn)二者組織狀態(tài)基本一致.

低倍下檢查存在裂紋部位,并取樣進(jìn)行金相檢 查,如圖９所示.裂紋頭部尖細(xì),呈沿晶擴(kuò)展形貌, 具有顯著的應(yīng)力性裂紋特征,非原材料裂紋.侵蝕后形貌如圖９c)所示,裂紋兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象, 顯微組織為貝氏體和板條馬氏體. 

２ 分析與討論 

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,失效軸齒輪的化學(xué) 成分、力學(xué)性能、硬度及有效硬化層深度均符合相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求.試樣宏觀檢查結(jié)果表明,零件裂紋 源位于大齒一側(cè)軸承擋根部退刀槽附近.裂紋源區(qū) 域平整呈扇形,斷面接著扇形裂紋源區(qū)呈放射狀向 四周擴(kuò)展,最終發(fā)生縱裂貫穿軸齒輪全長.由此以 可判斷,該軸齒輪內(nèi)應(yīng)力較大.由斷口微觀形貌分 析可知,裂紋源處斷裂方式以沿晶斷裂為主,在沿晶 面上存在較多發(fā)紋,呈典型脆性斷裂特征,未見明顯 夾雜物.斷口局部可見碎塊狀斷口形貌特征,斷裂 晶面上出現(xiàn)較明顯的層片狀特征,局部呈現(xiàn)雞爪紋 形貌,上述均為典型的氫致延遲開裂特征.擴(kuò)展區(qū) 斷裂方式也是以沿晶斷裂為主,未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物, 斷口呈現(xiàn)沿晶、準(zhǔn)解理和韌窩的混合斷裂形貌,局部 區(qū)域存在二次裂紋.由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,零件滲 碳表層顯微組織為隱針狀馬氏體＋殘余奧氏體＋黑 色網(wǎng)狀非馬氏體組織,非馬氏體組織為異常組織,經(jīng) 對(duì)未侵蝕的滲碳表面試樣進(jìn)行觀察確認(rèn),該異常組織由晶間氧化造成,該組織是合金鋼在滲碳?xì)夥罩? 加熱時(shí),表面與氣氛中的二氧化碳、氧氣、水蒸氣相 互作用而產(chǎn)生的.晶間氧化使表層奧氏體中的合金 元素貧化,降低奧氏體穩(wěn)定性,在后續(xù)淬火冷卻過程 中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w、貝氏體等非馬氏體組織. 該類組織基本分布在晶界上,含量由表層向內(nèi)層逐 漸減少.研究表明[４Ｇ５],晶間氧化層愈深,表面張力 愈大,同時(shí)晶間氧化產(chǎn)生的黑色網(wǎng)狀非馬氏體組織 與其他基體組織存在形變差異.因此在淬火過程產(chǎn) 生的表面拉應(yīng)力及氫的共同作用下,存在非馬氏體 組織顯微的晶界處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而導(dǎo)致微 裂紋的產(chǎn)生.

經(jīng)觀察,零件心部顯微組織為貝氏體和板條馬 氏體,局部有粗大板條馬氏體存在,或?yàn)榧訜徇^程中 晶粒長大導(dǎo)致.結(jié)合加工方給出的熱處理工藝,軸 齒輪滲碳后在爐內(nèi)緩冷１h后加熱淬火,在該工藝 下易使組織晶粒粗大,還會(huì)使大量奧氏體得以遺留, 導(dǎo)致滲碳層殘余奧氏體含量增多,同時(shí)粗大的組織 易使材料的抗斷強(qiáng)度有所降低[６Ｇ７].

通過低倍檢查裂紋部位,發(fā)現(xiàn)裂紋頭部尖細(xì),呈 沿晶擴(kuò)展形貌,具有顯著的應(yīng)力性裂紋特征,非原材 料裂紋.裂紋兩側(cè)未見氧化脫碳現(xiàn)象,裂紋兩側(cè)組 織為貝氏體和板條馬氏體.

該采煤機(jī)減速箱軸齒輪為倉庫存放期間在未受 外力情況下,發(fā)生的延遲性開裂,該齒輪內(nèi)應(yīng)力較 大,裂紋沿齒輪軸縱向分布,橫向已穿透軸中心,裂 紋整體平直,呈張開型,具有顯著應(yīng)力性裂紋特征, 裂紋周圍未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物及脫碳;裂紋源區(qū)以沿 晶斷裂為主,呈現(xiàn)明顯氫致延遲性開裂特征.氫致 延遲斷裂是由于材料本身、環(huán)境條件及應(yīng)力作用下 而產(chǎn)生的一種斷裂現(xiàn)象,應(yīng)力集中和氫的聚集是高 強(qiáng)度合金鋼發(fā)生氫致延遲斷裂的必要條件[８Ｇ９].目 前,在氣體滲碳中還沒有不滲氫的滲碳方法,因此滲 碳過程必然伴隨有滲氫過程.軸齒輪在熱處理應(yīng)力 作用下,處于材料點(diǎn)陣間隙中的氫原子向存在非馬 氏體組織形成的應(yīng)力集中部位擴(kuò)散,并聚集在晶界 處,氫的聚集使晶界表面能降低,晶界進(jìn)一步脆化, 導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生.產(chǎn)生微裂紋后,降低了裂紋尖 端的氫含量,新的高應(yīng)力集中區(qū)又形成,應(yīng)力作用使 氫再度擴(kuò)散聚集至應(yīng)力集中區(qū),裂紋擴(kuò)展發(fā)生在氫 含量達(dá)到臨界值時(shí),這一過程持續(xù)進(jìn)行.在氫和應(yīng) 力交互作用下,形成氫致延遲裂紋.加之后續(xù)回火 不充分,未有效消除殘余內(nèi)應(yīng)力,各種應(yīng)力在裂紋源處產(chǎn)生集中,并在最有利于釋放能量、產(chǎn)生開裂的微 區(qū)不斷加劇,當(dāng)應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度時(shí)便失穩(wěn)發(fā) 展成為宏觀縱向裂紋,隨著應(yīng)力釋放裂紋不斷擴(kuò)展, 最終導(dǎo)致軸齒輪開裂. 

３ 結(jié)論及建議 

該軸齒輪裂紋為氫致延遲裂紋,在氫和內(nèi)應(yīng)力 的共同作用下,在軸齒輪表層非馬氏體組織所在的 應(yīng)力集中部位產(chǎn)生微裂紋,加之后續(xù)回火不充分,微 裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致軸齒輪縱向開裂.

建議軸齒輪在滲碳裝爐前需清理爐內(nèi)殘余物, 檢查滲碳爐密封性,并在滲碳初期低溫狀態(tài)時(shí)滴入 適量煤油,使?fàn)t內(nèi)處于高碳勢(shì),還原爐內(nèi)的氧化性氣 體,有效防止?jié)B碳晶間氧化現(xiàn)象;同時(shí)根據(jù)齒輪使用 要求,選擇最佳滲碳工藝,通過控制通氣量和通氣時(shí) 間,以控制爐內(nèi)氣氛中的氫含量.建議工藝允許的 情況下,將滲碳后熱處理工藝改為滲碳后空冷＋高 溫回火＋淬火處理,消除零件基體組織晶粒長大現(xiàn) 象.該軸齒輪內(nèi)應(yīng)力較大,可能與該零件經(jīng)深冷處 理后回火不充分有關(guān),在保證軸齒輪性能情況下建 議適當(dāng)提高回火溫度和保溫時(shí)間,消除內(nèi)應(yīng)力,同時(shí) 降低材料的氫脆敏感性.

參考文獻(xiàn): 

[１] 潘鄰．化學(xué)熱處理應(yīng)用技術(shù)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,２００４． 

[２] 安運(yùn)錚．熱處理工藝學(xué)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社, １９８２． 

[３] 王維發(fā),王星,王培科,等．采煤機(jī)齒軌輪淬火開裂原 因分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(２):１４６Ｇ １４８． 

[４] 陳衍禮．有氧環(huán)境下滲碳層缺陷組織及其對(duì)性能的 影響[D]．大連:大連海事大學(xué),２００９． 

[５] 王有銘,王海鳳,王永杰．１７Cr２Ni２MoA 大齒輪滲碳 中發(fā)生內(nèi)氧化原因和預(yù)防[J]．機(jī)械工程師,２０１０(４): １２４Ｇ１２５． 

[６] 任玉鎖,劉俊英,王振亭．１８Cr２Ni４WA 鋼制滲碳齒輪 軸縱裂原因分析[J]．金屬熱處理,２００３,２８(６):６０Ｇ６２． 

[７] 陳大專,章宇順,馮愛新,等．１７Cr２Ni２Mo鋼制 齒 輪 開裂原因分析[J]．熱加工工藝,２０１３,４２(４):２２８Ｇ２３１． 

[８] 宋亞虎,劉鐵山,孫勝偉,等．２０CrNi２MoA 齒輪軸鍛 件缺陷分析[J]．理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),２０１５,５１(３): ２１９Ｇ２２１． 

[９] 牟小維,孫梅紅,寧玫,等．氫損傷缺陷分析[J]．天津 冶金,２００７(１):２１Ｇ２２． 

文章來源——材料預(yù)測(cè)網(wǎng)