吳佳峻

(江蘇金源高端裝備股份有限公司,常州 ２１３３７６)

摘 要:某１８CrNiMo７Ｇ６鋼齒輪軸在機(jī)械加工結(jié)束后,在庫存期間發(fā)生了軸向開裂.利用宏觀分析、化學(xué)成分分析、滲碳層深度測定、掃描電鏡觀察、能譜分析等方法,對齒輪軸的開裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:齒輪軸原材料冶煉過程不當(dāng),混入了小顆粒狀氧化鋁類夾渣;在隨后的鍛打拉拔過程中小顆粒形成條帶狀,破壞了材料的連續(xù)性,形成應(yīng)力集中;在較大的殘余應(yīng)力作用下,齒輪軸發(fā)生了延遲性開裂.

關(guān)鍵詞:１８CrNiMo７Ｇ６鋼;齒輪軸;氧化鋁夾渣;夾雜物條帶;應(yīng)力集中;開裂

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０９Ｇ０６７１Ｇ０４

某 齒 輪 軸 為 風(fēng) 能 傳 動(dòng) 結(jié) 構(gòu) 零 件,材 料 為１８CrNiMo７Ｇ６鋼,外形齒尺寸為?２８０ mm(光桿部位)×８５０mm(長度),齒部和軸表面采取滲碳處理.齒輪軸加工工序?yàn)?鍛造→粗車→探傷→滾齒→滲碳→淬、回火→噴丸→精車→精磨.滲碳后齒輪軸的有效硬化層深度要求為３．９０~４．９０ mm,淬火后滲碳層表面硬度要求為５８．０~６２．０ HRC.在熱處理后噴丸或加工后,在庫存期間發(fā)現(xiàn)齒輪軸出現(xiàn)裂紋,裂紋形態(tài)基本相同,呈軸向延伸,貫穿了齒輪軸整個(gè)長度,如圖１所示.為了確定該齒輪軸開裂的原因,筆者對其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析,以避免類似失效事件的再發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

肉眼觀察該開裂齒輪軸,其宏觀形貌如圖１所示.可見其表面存在部分銀亮的機(jī)械加工表面,絕大部分表面呈光滑的銀灰色.表面可見一軸向裂紋,基本貫穿了整個(gè)零件長度,靠近尾部的裂紋相對較窄,靠齒輪端的裂紋比較明顯,端面未觀察到裂

紋,存在錯(cuò)位現(xiàn)象,表面存在一處較直的區(qū)域,裂紋相對較寬,為裂紋源區(qū).沿裂紋將齒輪軸人工打開,可見斷面上存在明

顯的放射狀條紋,為裂紋快速擴(kuò)展特征,放射狀條紋的收斂區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū),位于齒輪軸的次表面,見圖２a)中的標(biāo)識區(qū)域.該區(qū)域?qū)?yīng)于圖１中相對較寬、較直的裂紋區(qū)域,除該區(qū)域外,斷面在其他表面處均存在明顯的剪切特征.

在體視顯微鏡下觀察齒輪軸斷面,可見裂紋源區(qū)存在一個(gè)呈軸向分布的條帶狀區(qū)域,如圖２b)中箭 頭 所 示. 經(jīng) 測 量 該 區(qū) 域 與 切 割 面 的 距 離 為３．２７mm,與軸表面的距離為２５．５８mm.

１．２ 化學(xué)成分分析

從齒輪軸上靠近斷裂位置取樣,對基體進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表１.由結(jié)果可見,齒輪軸基體的各元素含量均符合 DINEN１００８４:２００８«滲碳鋼———交貨技術(shù)條件»對１８CrNiMo７Ｇ６鋼成分的技術(shù)要求.

１．３ 滲碳層深度測定

選取靠近齒輪軸裂紋源區(qū)域的試樣,在其橫截面上進(jìn)行顯微硬度梯度檢測.按照 GB/T９４５０－２００５«鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核»測得,齒輪軸表面硬化層深度為４．７０mm,滿足“滲碳后的硬化層深度為３．９~４．９ mm”的技術(shù)要求.距離齒 輪 軸 表 面 ０．１０ mm 處 的 硬 度 為 ５８．７~５９．６HRC,滿足“淬火后滲碳層表面硬度為５８．０~６２．０HRC”的技術(shù)要求.

１．４ 掃描電鏡觀察

使用掃描電鏡對齒輪軸裂紋源區(qū)觀察到的帶狀區(qū)域進(jìn)行觀察,如圖３所示.可見該帶狀區(qū)域存在大量顆粒狀物質(zhì),經(jīng)測量其寬度為０．１６~０．１７mm,見圖３a),高倍下顆粒狀物質(zhì)形貌見圖３b).靠近帶

狀區(qū)域的斷口形貌為準(zhǔn)解理＋沿晶,見圖３c),存在少量二次裂紋;遠(yuǎn)離帶狀區(qū)域的斷口形貌為準(zhǔn)解理,見圖３d).

１．５ 能譜分析

采用 EDAX能譜儀對齒輪軸帶狀區(qū)域的顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行元素的無標(biāo)樣定性和半定量能譜分析,分析顆粒見圖３b),分析結(jié)果見圖４.可見其主要元素為鋁和氧,因此該顆粒狀物質(zhì)為氧化鋁類物質(zhì).

１．６ 金相檢驗(yàn)

從靠近齒輪軸裂紋源區(qū)域切取軸向試樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于 LEICA DMI５０００M 型光學(xué)顯微鏡下觀察,按照 GB/T１０５６１－２００５中的實(shí)際檢驗(yàn) A法進(jìn)行 評 定,其 非 金 屬 夾 雜 物 含 量 評 定 結(jié) 果 為:A０．５,B０,C０,D１．０.靠近裂紋源區(qū)域的表面硬化層剖面拋光態(tài)顯微形貌見圖５a),可見靠近齒輪軸表面的滲碳層開裂面比較平整,未見明顯增、脫碳或其他異常現(xiàn)象,可以判斷該裂紋出現(xiàn)在滲碳淬火之后.遠(yuǎn)離表面的基體顯微組織為回火馬氏體,見圖５b);帶狀區(qū)域剖面的顯微組織為回火馬氏體,見圖５c),d),未見其他異常.

２ 分析與討論

    通過以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:開裂齒輪軸的化學(xué)成分、滲碳層深度和表面硬度均符合技術(shù)要求;裂紋源處、斷口處的顯微組織和遠(yuǎn)離斷口的基體顯微組織一致,為回火馬氏體,未見明顯增、脫碳和其他異?，F(xiàn)象.根據(jù)斷口宏觀形貌和掃描電鏡形貌分析可知,裂紋源位于距離表面２５．５８ mm 處,為內(nèi)裂;裂紋源處存在一條長３．７３mm(未計(jì)算線切割損失和磨拋損失)×寬０．１６~０．１７mm 的呈軸向密集分布的顆粒狀物質(zhì),經(jīng)能譜分析可知其為氧化鋁類夾雜物,分析認(rèn)為是材料冶煉過程中混入了小顆粒氧化鋁類耐火材料,在隨后的鍛打拉拔過程中形成條帶狀.根據(jù)工廠提供的信息,“齒輪軸粗車后探傷未發(fā)現(xiàn)缺陷,滾齒后探傷同樣未發(fā)現(xiàn)缺陷,最后滾齒加工后交工廠”,“在熱處理噴丸和加工后發(fā)現(xiàn)有６件開裂(精車前發(fā)現(xiàn)２件開裂,精車后發(fā)現(xiàn)３件開裂,另１件在精磨后開裂),裂紋形態(tài)基本相同”,再結(jié)合該零件的加工制造工序分析,判斷該齒輪軸是在后道熱處理,即滲碳、淬火及回火熱處理后開裂的.開裂面絕大部分區(qū)域的顯微形貌為沿晶＋準(zhǔn)解理或準(zhǔn)解理,剪切唇較少,可判斷開裂是在較大應(yīng)力作用下的一次性開裂.金屬在加熱和冷卻過程中,表層與心部的加熱及冷卻速率(或時(shí)間)不一致,由于溫差導(dǎo)致膨脹和收縮不均而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力.這種應(yīng)力在冷卻時(shí)更加突出,由于冷卻時(shí)金屬表層溫度低于心部的,收縮時(shí)表面體積收縮大于心部的而使心部受拉應(yīng)力;當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí),由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行,而使表層受壓、心部受拉;在熱應(yīng)力作用下,最終使工件表層受壓應(yīng)力而心部受拉應(yīng)力.滲碳層一般呈壓應(yīng)力狀態(tài),殘余壓應(yīng)力可延續(xù)至滲碳硬化層的過渡區(qū),然后逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力[１].引起該齒輪軸開裂的裂紋源區(qū)距離表面２５．５８mm,而滲碳層深度為４．７０mm,顯然裂紋源區(qū)位于距離滲碳硬化層較遠(yuǎn)的基體.有研究表明:４００ ℃回火的鋼中仍然存在約５０％的殘余應(yīng)力,５００ ℃回火后還存在約２０％的殘余應(yīng)力,低溫回火通常不能完全去除材料中的殘余應(yīng)力[２].該齒輪軸滲碳、淬火后為

    低溫回火(２００ ℃),會存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力.在切削條件較好時(shí),精車或磨削影響層表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力,這也會加大內(nèi)層的殘余拉應(yīng)力[３].材料內(nèi)部呈條帶狀軸向分布的夾雜物破壞了材料的連續(xù)性,等同于一條微裂紋,存在較大的應(yīng)力集中,在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力作用下導(dǎo)致開裂.

３ 結(jié)論及建議

    (１)該齒輪軸裂紋源區(qū)距離軸表面２５．５８mm,為內(nèi)裂,其主要原因是材料內(nèi)部存在聚集呈帶狀分布的顆粒狀?yuàn)A雜物,破壞了材料的連續(xù)性,形成應(yīng)力集中,在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力作用下發(fā)生了延遲性開裂.

    (２)建議對齒輪軸原材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān),杜絕聚集分布的夾渣類缺陷存在.

    (３)對軸肩應(yīng)力集中的部位進(jìn)行噴丸[７]或 滾壓[８]處理,強(qiáng) 化 表 面 的 壓 應(yīng) 力,提 高 材 料 的 疲 勞強(qiáng)度.

    (４)增大軸肩應(yīng)力集中部位的倒角曲率半徑,降低應(yīng)力集中程度,從而提高主軸的疲勞壽命.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 2017年 > 9期 > pp.671）