傳動(dòng)齒輪磨削裂紋原因分析

蔡 紅 項(xiàng)紅巖

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，包頭 014032)

傳動(dòng)齒輪磨削裂紋原因分析

蔡 紅 項(xiàng)紅巖

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，包頭 014032)

對(duì)車輛傳動(dòng)齒輪開(kāi)裂件進(jìn)行宏觀分析、硬度檢測(cè)、化學(xué)成分分析、顯微組織及裂紋分析，探討裂紋形成機(jī)理，就其裂紋形成原因提出分析意見(jiàn)及改進(jìn)措施。解剖分析結(jié)果表明，零件在磨削過(guò)程中受到了過(guò)大的磨削力作用和磨削熱作用，使表層發(fā)生塑性變形及相變，造成拉應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致裂紋源產(chǎn)生，形成表面磨削裂紋。

齒輪 磨削 裂紋

齒輪是車輛傳動(dòng)操縱系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，主要承受接觸應(yīng)力、摩擦力、沖擊應(yīng)力等，用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼制造，主要工藝流程為：原材料→滲碳淬火回火→磨外圓、端面→裝配→使用。生產(chǎn)中準(zhǔn)備裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)兩件齒輪在右端面(靠近長(zhǎng)軸的齒輪端面)上有細(xì)小裂紋，造成零件失效報(bào)廢，影響生產(chǎn)和質(zhì)量。為查明裂紋產(chǎn)生原因，筆者選取其中較典型的一件開(kāi)裂件解剖分析，對(duì)其進(jìn)行宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)分析、金相組織及裂紋分析，探討裂紋形成機(jī)理，就其開(kāi)裂原因提出分析意見(jiàn)及改進(jìn)措施。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

洛氏硬度計(jì)：HR-150D型，吳忠材料試驗(yàn)機(jī)廠;

顯微硬度計(jì)：FM 700型，日本恒一公司;

倒置式金相顯微鏡：GX51型，日本Olympus公司;

三維視頻顯微系統(tǒng)：Hirox KH-3000型，美國(guó)科士達(dá)(中國(guó))有限公司。

1.2 宏觀分析

開(kāi)裂件宏觀形貌及裂紋位置見(jiàn)圖1所示，該零件所發(fā)現(xiàn)裂紋非常細(xì)小，肉眼不易分辨，在Hirox KH-3000三維視頻顯微系統(tǒng)(美國(guó))下觀察，這些細(xì)小條狀裂紋均在齒輪右端面(齒輪長(zhǎng)軸一側(cè))上。

圖1 開(kāi)裂齒輪宏觀形貌及裂紋位置

裂紋宏觀形貌見(jiàn)圖2，徑向分布，排列較有規(guī)則，呈細(xì)小、聚集、斷續(xù)串接特征，垂直于磨削方向，裂紋長(zhǎng)度約1～7 mm，多達(dá)上百條，部分裂紋已呈網(wǎng)狀分布。

圖2 裂紋宏觀形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在開(kāi)裂件基體取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果符合圖紙技術(shù)要求。

1.4 顯微組織及裂紋分析

(1)垂直于裂紋取金相樣，在倒置式金相顯微鏡下觀察。

裂紋淺而細(xì)小，相互平行，排列規(guī)則，尾部尖細(xì)且沿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展方向垂直于齒輪端面即磨削平面，為等深裂紋，深度為0.45～0.60 mm，裂紋中間寬兩頭細(xì)，有的裂紋與磨削表面不相通，有的裂紋與基體中的非金屬夾雜物連通，見(jiàn)圖3、圖4?；w(遠(yuǎn)離裂紋)非金屬夾雜物按照GB/T 10561-2009標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為A 1.0級(jí)、B 0.5級(jí)。

圖3 右端面裂紋中間寬兩頭細(xì)

圖4 右端面裂紋相互平行、垂直于表面

經(jīng)4%HNO3酒精溶液浸蝕后觀察，可見(jiàn)該齒輪經(jīng)過(guò)表面滲碳處理及淬火回火熱處理，右端面滲層組織為高碳回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體，滲層磨削表面組織有明顯轉(zhuǎn)變(見(jiàn)圖5)，深度在0.40 mm左右。圖5中最表面組織為細(xì)小二次淬火馬氏體，深度在0～0.024 mm，隨后為被熱影響的過(guò)渡層(見(jiàn)圖6);裂紋兩側(cè)及尾部無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象;芯部組織為低碳板條回火馬氏體。

(2)將齒輪輪齒橫向解剖，在倒置式金相顯微鏡下觀察試樣橫截面。

輪齒無(wú)裂紋及其它異常;經(jīng)4%HNO3酒精溶液浸蝕后觀察，可見(jiàn)該輪齒經(jīng)過(guò)表面滲碳處理及淬火回火熱處理，節(jié)圓及齒頂滲碳層處碳化物、馬氏體及殘余奧氏體分別評(píng)為2級(jí)、1級(jí)(見(jiàn)圖7)，符合WJ730-82標(biāo)準(zhǔn)要求，芯部組織為低碳板條回火馬氏體(見(jiàn)圖8)。從零件材質(zhì)來(lái)看，零件滲層和基體金相組織、非金屬夾雜物均符合圖紙技術(shù)要求。

1.5 硬度及層深檢測(cè)分析

(1)基體硬度為41.5HRC，符合工藝要求。

(2)齒輪右端面表面硬度為58.5HRC，符合圖紙技術(shù)要求。

(3)用硬度法檢測(cè)齒輪右端面有效硬化層深，結(jié)果為CHD550HV0.1=0.63 mm，檢測(cè)輪齒節(jié)圓處有效硬化層深，結(jié)果為CHD550HV0.1=0.67 mm，符合圖紙技術(shù)要求。

(4)分別從齒輪右端面及輪齒節(jié)圓處向芯部檢測(cè)顯微硬度，硬度梯度曲線見(jiàn)圖9、圖10，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2，可以看出，右端面滲層表面0.20 mm內(nèi)有明顯的硬度降低。

表1 右端面滲層顯微硬度

表2 輪齒節(jié)圓處滲層顯微硬度

2 分析與討論

磨削裂紋屬第一類熱處理缺陷，它產(chǎn)生于熱處理之后的磨削加工工序。淬硬的工具鋼零件，或經(jīng)滲碳、碳氮共滲并進(jìn)行淬火的零件，在隨后的磨削加工時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的磨削裂紋［1］。筆者所述零件用鋼為滲碳鋼20Cr2Ni4A，即出現(xiàn)了類似裂紋。一般認(rèn)為，零件在磨削加工過(guò)程中，當(dāng)形成的殘余拉應(yīng)力超過(guò)自身材料的強(qiáng)度極限時(shí)，零件表面就會(huì)出現(xiàn)裂紋。因此，零件表面的應(yīng)力狀態(tài)是磨削裂紋形成的關(guān)鍵，從以下幾個(gè)方面討論。

首先，對(duì)滲碳鋼來(lái)說(shuō)，要求表層硬度高、強(qiáng)度高、耐磨性好，芯部應(yīng)有良好的韌性。只有通過(guò)滲碳得到表面和芯部成分的差異，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚恚拍軓?qiáng)化表層，提高耐磨性，并獲得具有良好韌性和一定強(qiáng)度的芯部組織［2］。但零件表面滲碳會(huì)引起零件應(yīng)力狀態(tài)的變化。滲碳淬火后零件芯部受壓縮應(yīng)力，滲碳層受拉伸應(yīng)力，這種拉應(yīng)力狀態(tài)是滲碳層產(chǎn)生裂紋的促進(jìn)因素。

其次，磨削加工也會(huì)改變零件表面應(yīng)力狀態(tài)。磨削表面的殘余應(yīng)力是由于磨削過(guò)程金屬容積發(fā)生變化等因素造成的。其中磨削溫度的不均勻?qū)⑿纬蔁釕?yīng)力，一般為拉應(yīng)力;由于金屬組織的變化將產(chǎn)生相變應(yīng)力，可能為拉應(yīng)力或壓應(yīng)力;由于磨削過(guò)程塑性變形的不均勻形成塑變應(yīng)力，一般為壓應(yīng)力。磨削表面的殘余應(yīng)力應(yīng)是以上三者的復(fù)合［3］。一般零件在粗磨或違章條件下，表層0.25 mm內(nèi)會(huì)發(fā)生硬度改變，0.15 mm內(nèi)會(huì)看到金相變化，而零件在精磨或低應(yīng)力狀態(tài)下，只會(huì)在表層0.04 mm和0.013 mm內(nèi)看到硬度改變和金相變化［1］。筆者所述齒輪右端面在滲碳淬火時(shí)整個(gè)滲層都得到高碳回火馬氏體組織加少量殘余奧氏體，但在隨后的周向磨削加工過(guò)程中，表面0～0.024 mm內(nèi)生成了細(xì)小二次淬火馬氏體說(shuō)明，磨削產(chǎn)生的磨削熱使零件表面溫度達(dá)到鋼的AC3點(diǎn)以上，而表面0.40 mm內(nèi)發(fā)生了馬氏體分解、殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變等相變，則說(shuō)明該處溫度達(dá)到了150℃～200℃，這些相變使表面體積縮小，而靠近中心的馬氏體不受熱，體積不變化，這種內(nèi)外體積差和溫差使表層承受拉應(yīng)力;另外，比較齒輪右端面至芯部的硬度梯度曲線和輪齒節(jié)圓至芯部的硬度梯度曲線可以看出，齒輪右端面表層約0.70 mm內(nèi)硬度降低，0.20 mm內(nèi)尤為明顯，這是由于滲層表面二次淬火帶來(lái)金相組織轉(zhuǎn)變，說(shuō)明零件右端面在磨削過(guò)程中有過(guò)大的進(jìn)刀量并瞬間產(chǎn)生大量的磨削熱量，使表層發(fā)生塑性變形，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合造成拉應(yīng)力狀態(tài)，它們是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

綜上分析認(rèn)為，磨削時(shí)較大的磨削應(yīng)力和磨削熱作用使齒輪表面發(fā)生了金相組織變化和硬度變化，同時(shí)也改變了殘余應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力超過(guò)自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在零件次表層即拉應(yīng)力最大處萌生裂紋源，并在應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步改變的過(guò)程中擴(kuò)展形成裂紋，為磨削裂紋。

4 結(jié)論

(1)所解剖齒輪基體化學(xué)成分、層深、硬度、金相組織、非金屬夾雜物等符合圖紙技術(shù)要求。

(2)齒輪表面裂紋為磨削裂紋，其主要形成原因?yàn)檫^(guò)大的磨削應(yīng)力和磨削熱作用。

5 改進(jìn)措施及建議

(1)嚴(yán)格執(zhí)行磨削工藝，防止砂輪過(guò)細(xì)或過(guò)鈍，通過(guò)加大磨削冷卻液容量和減少磨削進(jìn)給量，降低磨削溫度，避免相變發(fā)生。

(2)改進(jìn)磨削工藝，采取低應(yīng)力、小磨削量工藝參數(shù)，防止磨削裂紋。

［1］王廣生，石康才，周敬恩.金屬熱處理缺陷分析及案例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］齊寶森.化學(xué)熱處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］王國(guó)凡.材料成形與失效［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

CAUSE ANALYSIS OF CRACKS IN GEAR GRINDING

Cai Hong，Xiang Hongyan
(Inner Mongolia First Machinery Group Co.，Ltd Baotou 014032，China)

Vehicle transmission gear of cracking the macro analysis，hardness testing，chemical composition analysis，microstructure and crack analysis，explore the mechanism of crack formation，the crack formation reasons put forward suggestions and im-provement measures.Anatomy analysis results show that，in the process of grinding parts by excessive grinding force and grinding heat effect，so that the surface plastic deformation and phase transformation，causing tensile stress state，leading to crack source，forming surface grinding crack.

gear，grinding，crack

2011-10-02