45鋼齒輪開裂原因分析

周維興

(無錫寶露重工有限公司，江蘇214000)

45鋼齒輪開裂原因分析

周維興

(無錫寶露重工有限公司，江蘇214000)

通過宏觀形貌觀察、低倍組織、金相檢驗等，分析得出45鋼齒輪開裂的原因是材料組織缺陷和加熱工藝不合理。

45鋼齒輪；開裂；金相分析

某公司生產(chǎn)的45鋼齒輪出現(xiàn)開裂。齒輪大致規(guī)格為?130 mm×30 mm，加工過程為：從圓鋼棒上切鋸坯料，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后進行機加工和滾齒，然后進行高頻表面淬火(水冷，具體溫度未明)和中低溫回火。約有5%的齒輪在水冷淬火時出現(xiàn)開裂。開裂情況如圖1所示。對齒輪開裂原因進行了分析。

1 化學(xué)成分分析

從齒輪上取樣進行化學(xué)成分檢測，用Spectro MAXx型直讀光譜儀分析化學(xué)成分，檢測結(jié)果見表1。

從分析結(jié)果可見，試樣成分符合GB/T699中45鋼各種元素的范圍要求。

2 金相和硬度檢驗

2.1 夾雜物檢驗

在齒輪開裂處取試樣，經(jīng)磨制、拋光后按GB/T10561—2005進行非金屬夾雜物級別評定，結(jié)果見表2。夾雜物在試樣中的分布如圖2所示。

圖1 齒輪開裂宏觀形貌Figure 1 Macro appearance of cracked gear

表1 試樣化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition analysis of test specimen (mass fraction, %)

表2 非金屬夾雜物檢測結(jié)果Table 2 Check result of nonmetallic inclusion

圖2 試樣拋光后的夾雜物分布情況(100×)Figure 2 Inclusion distribution of polished specimen

2.2 組織和硬度檢驗

將開裂試樣用4%硝酸酒精腐蝕(3～5)s，其低倍形貌如圖3所示。 腐蝕面分為較暗(齒部及近表面)和稍亮的兩部分。其中暗色部分為表面高頻淬火并回火的區(qū)域，用HR-150A型洛氏硬度計檢測其硬度，結(jié)果為55～57HRC；稍亮部分為原調(diào)質(zhì)過的基體，硬度為23～26HRC。

從觀察面可見，裂紋分為如圖3中所示的a、b兩段。a段是從齒根部開始并大致沿淬硬層與基體的交界延伸，b段是大致與徑向成一較小角度延伸。

用光學(xué)金相顯微鏡觀察明暗兩個區(qū)域。暗色的表面高頻淬火區(qū)組織如圖4所示，主要為馬氏體或馬氏體+部分鐵素體。圖4(a)取自齒的一側(cè)齒面的近齒面區(qū)域，圖4(b)取自同一個齒的另一側(cè)齒面的近齒面區(qū)。同一齒的相對齒面的金相組織存在差別的現(xiàn)象在其他多個齒也存在，這說明在表面高頻淬火時存在加熱不均勻，使同一個齒的兩個齒面之間形成溫度差。該溫度差造成的組織不均勻性會導(dǎo)致其力學(xué)性能不一致，而對使用和后續(xù)加工性能造成不良影響。

對開裂試樣用過飽和苦味酸腐蝕+數(shù)滴洗潔精水溶液進行熱蝕，腐蝕溫度約75℃，腐蝕時間約25 s。表面淬火區(qū)的奧氏體晶粒形貌如圖5所示，大致為8～8.5級，屬于較細(xì)小的晶粒。

圖3 試樣腐蝕后低倍形貌Figure 3 Macro appearance of rusty specimen

(a) (b)圖4 表淬區(qū)域的組織形貌(400×)Figure 4 Structural appearance of surface quenching location

(a) (b)圖5 表淬區(qū)域奧氏體晶粒(400×)Figure 5 Austenite grain of surface quenching location

(a) (b)圖6 基體組織形貌(400×)Figure 6 Structural appearance of matrix

圖7 調(diào)質(zhì)基體區(qū)域的奧氏體晶粒(400×)Figure 7 Austenite grain of quenched and tempered matrix location

將調(diào)質(zhì)的基體部分用4%硝酸酒精腐蝕(3～5)s，組織形貌如圖6所示，組織分別為稍保持馬氏體形態(tài)的回火索氏體或回火索氏體+鐵素體。齒輪的一個橫截面鐵素體量較多，約3%～5%，如圖6(a)所示；而相對的橫截面僅有1%左右或不存在鐵素體。齒輪相對兩個面存在的組織差別可能是由于滾齒前的調(diào)質(zhì)處理加熱不均勻或保溫時間不夠長或溫度稍低所致。兩個面上組織的不均勻性會在一定程度上影響齒輪的使用性能和后續(xù)的高頻表面淬火。

苦味酸腐蝕基體部分后的奧氏體晶粒如圖7所示，大致為7級。

繼續(xù)觀察，還發(fā)現(xiàn)試面上多處存在如圖8所示的較嚴(yán)重帶狀組織(滾齒前的淬火未能消除)，并且在部分區(qū)域伴生較輕微的硫化物(級別約0.5級)等非金屬夾雜，如圖9所示。該帶狀組織大致與齒輪橫截面上的裂紋方向平行。這些帶狀組織會極大降低材料垂直于帶狀方向上的力學(xué)性能。

3 裂紋原因分析

從圖3可知，齒輪橫截面上的裂紋主要分布在兩個區(qū)域。一種是齒根部開始大致沿表面淬硬區(qū)與基體部分的分界線方向延伸，整體形狀比較剛直。該段裂紋應(yīng)該是由于高頻淬火將輪齒及表面區(qū)域組織淬成馬氏體，造成其體積膨脹，使齒根及亞表面區(qū)域受到張應(yīng)力并在齒根部分形成應(yīng)力集中。而加熱過快、溫度過高、水溫過低、存在未溶解鐵素體等因素更造成局部區(qū)域的張應(yīng)力大于材料的局部抗拉強度，最終在該區(qū)域萌生裂紋并延伸。

(a) (b)圖8 帶狀鐵素體(100×)Figure 8 Strip ferrite

(a) (b)圖9 帶狀及伴生夾雜物(400×)Figure 9 Strip and associated inclusion

圖10 裂紋末端腐蝕前的形貌(100×) 圖11 裂紋末端腐蝕后的帶狀組織(100×) Figure 10 Crack end appearance before corrosion Figure 11 Strip structure of crack end after corrosion

另一種裂紋出現(xiàn)在基體部分，裂紋的形狀呈現(xiàn)出多個波折，與齒部區(qū)域淬火裂紋的整體剛直特征不同。裂紋的末端形態(tài)如圖10所示，裂紋形狀曲折、短粗，最末端不尖銳；在腐蝕后發(fā)現(xiàn)殘留的帶狀組織，如圖11所示。該段裂紋主要是由于材料存在較嚴(yán)重的帶狀組織，造成該區(qū)域的力學(xué)性能極大降低(滾齒前的調(diào)質(zhì)處理可能已生成沿帶狀方向的隱蔽微小裂紋)；當(dāng)高頻淬火表面馬氏體化造成體積膨脹時，基體部分受到張應(yīng)力(大致沿齒輪面的切向)，而材料中的帶狀組織(存在的微小隱蔽裂紋)卻會造成該方向上(與張應(yīng)力大致平行的方向)抗拉強度的極大降低。當(dāng)實際應(yīng)力大于該薄弱區(qū)域的承受能力時，便發(fā)生了沿帶狀組織的開裂。

4 結(jié)論

通過對45鋼齒輪開裂部位進行檢驗分析，得出造成齒輪開裂的主要原因是材料組織缺陷和加熱工藝不合理。

編輯 杜 敏

Analysis of Fraction Cause for 45 Steel Gear

ZhouWeixing

By adopting means of macro appearance observation, macro structure and metallurgical test, fraction cause of 45 steel gear has been analyzed, which was structural defect of material and unreasonable heating process.

45 steel gear; fraction; metallurgical analysis

TG115

B

2013—05—23