摘 要:某裝載機(jī)用內(nèi)齒圈成品在搬運(yùn)過程中意外跌落并發(fā)生脆斷。采用宏觀觀察、斷口分析、 化學(xué)成分分析、低倍檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等方法對其斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:不當(dāng)?shù)妮毉h(huán)工藝 導(dǎo)致內(nèi)齒圈形變過燒,進(jìn)而在其心部出現(xiàn)大量呈周向分布的細(xì)小孔洞和裂紋;機(jī)加工使材料心部的 缺陷暴露出來,并在隨后的滲氮處理中生成了大量的脈狀組織,極大地增加了內(nèi)齒圈的脆性,最終 導(dǎo)致內(nèi)齒圈在跌落時發(fā)生脆斷。

關(guān)鍵詞:內(nèi)齒圈;脆斷;孔洞;形變過燒 

中圖分類號:TG115.2                                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                           文章編號:1001-4012(2022)07-0045-03

某裝載機(jī)用內(nèi)齒圈材料為35CrMo鋼,制造工 序?yàn)?原材料鋸料→(1150±30)℃加熱→鍛造→ 沖孔→輾環(huán)→正火→粗車→調(diào)質(zhì)(830~860 ℃油淬 +600~650 ℃回火)→精車→插齒→氮化。在其成 品搬運(yùn)過程中,內(nèi)齒圈意外跌落并發(fā)生斷裂。為確 定該內(nèi)齒圈斷裂的原因,筆者對其進(jìn)行了一系列的 理化檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察及斷口分析 

該內(nèi)齒圈及其斷口的宏觀形貌如圖1所示。由 圖1可知:斷口從齒根部位沿徑向擴(kuò)展,斷口平整未 見明顯起伏,呈一次性斷裂的特征。 

在內(nèi)齒圈斷口 處 取 樣,對 其 進(jìn) 行 超 聲 清 洗 后 用 S-3400N 型掃描電鏡(SEM)觀 察,結(jié) 果 如 圖 2 所示。由圖2可知:斷口中 心 區(qū) 域 存 在 許 多 細(xì) 小 孔洞,孔洞 表 面 呈 現(xiàn) 類 似 自 由 結(jié) 晶 狀 形 貌,孔 洞 內(nèi)還 存 在 眾 多 晶 界 裂 紋,局 部 可 見 晶 界 熔 融 痕跡。 

1.2 化學(xué)成分分析 

在斷裂內(nèi)齒圈上取樣,采用 CS800型紅外碳硫 分析儀和iCAP6300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜 儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表 1可知:其化學(xué)成分符合 GB/T3077—2015 《合金 結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的要求。

1.3 低倍檢驗(yàn) 

從斷裂內(nèi)齒圈的不同方位,每間隔120°取徑向 截面進(jìn)行低倍檢驗(yàn),其低倍組織形貌如圖3所示。 由圖3可知:試樣截面中部區(qū)域存在大量的孔洞類 缺陷,齒根至心部存在通道,邊緣周圍完好未見異 常。將試樣進(jìn)行低倍酸蝕,發(fā)現(xiàn)這些孔洞擴(kuò)大并形 成了一個較大的腐蝕坑,這說明內(nèi)齒圈整個環(huán)形區(qū) 域截面的心部均存在細(xì)小的孔洞類缺陷。

1.4 沖擊試驗(yàn) 

從斷裂內(nèi)齒圈上取樣,采用JBN-300B 型沖擊 試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。結(jié)果顯示:斷裂內(nèi)齒圈 的沖擊吸收能量分別為6.0,5.0,6.0J,而內(nèi)齒圈沖 擊吸收能量的技術(shù)要求為不小于70J。由沖擊試驗(yàn) 結(jié)果可知:該內(nèi)齒圈脆性較大,極易在承受沖擊載荷 的情況下發(fā)生脆性斷裂。

1.5 金相檢驗(yàn)

從 斷 裂 內(nèi) 齒 圈 上 取 徑 向 截 面 試 樣,采 用Observer.Alm 型光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn), 結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:試樣心部存在大量 孔洞類缺陷,在孔洞邊緣發(fā)現(xiàn)大量的脈狀氮化物組 織;正常區(qū)域的氮化層深度約為0.6mm,表面為白 亮的化合物層,表層為回火索氏體;心部為回火索氏 體+少量鐵素體組織,其晶粒度約為7~8級,為內(nèi) 齒圈正常的熱處理組織,表明該內(nèi)齒圈熱處理工序 正常。

2 綜合分析 

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知:該裝載機(jī)內(nèi)齒圈的 化學(xué)成分符合 GB/T3077—2015的標(biāo)準(zhǔn)要求;齒輪表面氮化組織、心部組織均符合技術(shù)要求,表明其熱 處理工序正常。 

由斷口形貌分析結(jié)果可知:該內(nèi)齒圈的徑向截 面中心區(qū)域存在大量的細(xì)小孔洞類缺陷,孔洞表面 呈類似自由結(jié)晶狀形貌,而孔洞內(nèi)存在眾多晶界裂 紋,局部可見晶界熔融痕跡,與過燒缺陷[1-3]的特征 相符。 

由低倍檢驗(yàn)結(jié)果可知:內(nèi)齒圈不同方位的徑向 截面中心區(qū)域均存在大量的細(xì)小孔洞類缺陷,齒根 至心部存在通道,邊緣輪廓完好未見明顯缺陷,表明 缺陷主要集中于截面心部;此外,內(nèi)齒圈整個環(huán)形區(qū) 域的徑向截面心部均存在細(xì)小孔洞類缺陷,邊緣輪 廓未見異常,齒坯周圍不存在缺陷,表明該內(nèi)齒圈心 部的過燒缺陷與加熱工序無關(guān)。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知:在斷裂內(nèi)齒圈徑向截面 心部存在大量細(xì)小孔洞類缺陷,而孔洞邊緣發(fā)現(xiàn)有 眾多脈狀氮化物組織,呈現(xiàn)河流狀,這表明氮化處理 前心部孔洞已與齒輪表面相通,并且心部的孔洞處 也因發(fā)生氮化而生成了氮化物。

材料過燒往往產(chǎn)生于加熱、鍛造及輾環(huán)等工序 中。加熱工序產(chǎn)生的過燒往往是由表及里,且主要 表現(xiàn)為網(wǎng)裂、沿晶氧化等[1-4]。在低倍檢驗(yàn)中,邊緣 輪廓未見異常,整個齒坯周圍不存在缺陷,表明該內(nèi) 齒圈心部的過燒缺陷與加熱工序無關(guān)。鍛造過程中 產(chǎn)生的過燒特征往往與加熱過程中形成的特征相 似,正火與調(diào)質(zhì)工序的加熱溫度均較低,因此鍛造過 程中基本不會形成心部過燒,并且內(nèi)齒圈心部的孔 洞類缺陷在氮化工序之前就已存在,此外,正常部位 的晶粒度和顯微組織也證實(shí)了內(nèi)齒圈心部過燒不是 在這段時間產(chǎn)生的?；究梢源_定內(nèi)齒圈徑向截面 心部孔洞缺陷產(chǎn)生于輾環(huán)工序。

金屬因塑性變形引起的鍛造溫度變化(ΔT)的 計(jì)算公式為[4]

式中:η為排熱率;K 為綜合影響系數(shù);vε 為應(yīng)變速 率;m 為變形速率影響指數(shù),與鋼材種類和變形溫 度有關(guān);σ0 為基準(zhǔn)流動應(yīng)力;εp 為變形體的等效應(yīng) 變增量;ρ為變形體的密度;c為變形體的比熱容。

當(dāng)鋼材種類確定后,變形體的密度、變形體的比 熱容、排熱率、綜合影響系數(shù)等參數(shù)為定值,影響鍛 造溫度變化(ΔT)的因素僅為應(yīng)變速率、變形速率影 響指數(shù)、流動應(yīng)力和等效應(yīng)變增量,并與之正相關(guān)。 此外,在選定設(shè)備后應(yīng)變速率、變形速率影響指數(shù)、流動應(yīng)力和等效應(yīng)變增量均與變形量和變形速率相 關(guān),因此溫度變化為較大變形量及變形速率下能量 轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)。 

在對內(nèi)齒圈原材料進(jìn)行輾環(huán)工序時,由于加熱 溫度較高,接近固液相轉(zhuǎn)變點(diǎn),若此時的變形量和變 形速率過大,極易使材料的局部溫度升高,當(dāng)局部溫 度達(dá)到或超過液相點(diǎn)時,就會發(fā)生“形變過燒”。“形 變過燒”往往出現(xiàn)于材料的內(nèi)部,其表現(xiàn)為孔洞類缺 陷,且局部具有疏松的特征,此外還會出現(xiàn)晶界熔融 的痕跡[5-7]。 

內(nèi)齒圈原材料產(chǎn)生的孔洞及疏松類缺陷在形變 載荷的作用下會發(fā)展成為細(xì)小裂紋,最終在內(nèi)齒圈 周向心部形成環(huán)形的細(xì)小孔洞及裂紋,在隨后的插 齒過程中,缺陷“露頭”。當(dāng)對材料進(jìn)行氮化處理時, 氮化氣氛沿孔洞及裂紋進(jìn)入心部,導(dǎo)致心部孔洞和 裂紋區(qū)域產(chǎn)生脈狀氮化物,極大地增加了內(nèi)齒圈的 脆性,最終在跌落時內(nèi)齒圈因受沖擊載荷作用而發(fā) 生脆斷。 

3 結(jié)論及建議

不當(dāng)?shù)妮毉h(huán)工藝導(dǎo)致內(nèi)齒圈產(chǎn)生形變過燒,進(jìn) 而在內(nèi)齒圈心部產(chǎn)生了大量細(xì)小的孔洞及裂紋缺 陷,機(jī)加工使心部缺陷“露頭”,并在隨后的氮化處理 中生成了大量的脈狀組織,進(jìn)一步增加了材料的脆 性,降低了內(nèi)齒圈的抗沖擊性,使其在跌落時稍受沖 擊,載荷便會發(fā)生脆斷。 

建議加強(qiáng)對鍛料加熱溫度的控制,并對輾環(huán)工 藝進(jìn)行優(yōu)化。 

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 7期 (pp:45-47)>