摘 要:某主動(dòng)齒輪根部在緊固過(guò)程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金 相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法對(duì)主動(dòng)齒輪斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:原材料存在過(guò)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(guò)熱析出大量鐵素體,組織過(guò)燒和 過(guò)熱會(huì)使晶界結(jié)合力喪失,降低其塑性,最終導(dǎo)致主動(dòng)齒輪發(fā)生斷裂。

關(guān)鍵詞:主動(dòng)齒輪;斷裂;過(guò)熱;過(guò)燒;元素偏聚;鐵素體

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

某主動(dòng)齒輪的齒輪扇根部穿過(guò)一根六角型鋼, 通過(guò)下方螺栓緊固的方式將兩者夾緊。某公司一批 主動(dòng)齒輪經(jīng)硬度驗(yàn)收合格后入庫(kù),在后續(xù)裝配過(guò)程 中,擰緊螺栓時(shí),齒輪扇根部發(fā)生斷裂,此時(shí)尚未使 用扭力扳手,因此其斷裂強(qiáng)度非常低。按照?qǐng)D紙標(biāo) 注,該批主動(dòng)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(duì)該主動(dòng)齒輪進(jìn) 行了一系列理化檢驗(yàn),分析其斷裂原因,以避免該類(lèi) 問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂主動(dòng)齒輪的宏觀形貌如圖1所示,可見(jiàn)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(jiàn)斷口為瓷狀斷口,呈灰色,無(wú)金屬光澤,無(wú)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(hào)及化學(xué)成分》,采用真空直讀光譜儀對(duì)斷裂主動(dòng)齒 輪進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)該主動(dòng)齒輪的化學(xué)成分符合GB/T20878—2007的要求。

1.3 硬度測(cè)試

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

1.4 金相檢驗(yàn)

在斷裂主動(dòng)齒輪斷口附近取樣,對(duì)試樣進(jìn)行拋 光,然后用氯化鐵鹽酸水溶液對(duì)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(gè)試樣表 面呈灰色,上面密集分布著黑色斑點(diǎn),其中黑色斑 點(diǎn)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(shí)是組織過(guò)燒的特征;灰色基體上的晶界呈黑色,為組織過(guò)熱的特征[1]。

1.5 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(duì)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(shuō)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(yàn)結(jié)果可知:主動(dòng)齒輪存在過(guò)熱 和過(guò)燒組織,基體中主要為過(guò)熱組織,過(guò)燒組織在基 體中呈點(diǎn)狀分布。晶界析出鐵素體是過(guò)熱的特征,δ 鐵素體是硬脆相,會(huì)降低材料強(qiáng)度;晶界上有凹坑, 凹坑內(nèi)的鐵素體呈不規(guī)則球狀,是過(guò)燒的特征。過(guò) 燒會(huì)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(guò)燒會(huì)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(guò)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(dòng)齒輪的組織為 球化 珠 光 體,為 退 火 組 織,強(qiáng) 度 低 于 索 氏 體。 20Cr13鋼淬透性很強(qiáng),空冷即可得到馬氏體[4],退 火的冷卻速率較快時(shí),硬度能達(dá)到20HRC以上。 如果回火溫度過(guò)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(shuō)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(dòng)齒輪中存在過(guò)熱和過(guò)燒組織,導(dǎo)致基體強(qiáng) 度降低,過(guò)燒會(huì)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(huì)發(fā)生斷 裂。過(guò)燒無(wú)法通過(guò)熱處理解決,只能進(jìn)行報(bào)廢處理。 金相檢驗(yàn)具有破壞性,企業(yè)通常采用硬度測(cè)試 作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),但熱處理屬于特殊工序,硬度測(cè)試時(shí) 存在極大的局限性,因此仍需要采用過(guò)程參數(shù)控制 的方式來(lái)控制熱處理工藝。

參考文獻(xiàn):

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