22CrMoH鋼主動(dòng)齒坯裂紋失效分析

合肥市建元機(jī)械有限責(zé)任公司（安徽 230001）金林奎

經(jīng)鍛造加工的汽車(chē)主動(dòng)錐齒輪齒坯，在切齒后檢查發(fā)現(xiàn)齒面有裂紋，隨后在未切齒的鍛坯上也發(fā)現(xiàn)存在裂紋的現(xiàn)象，這批齒坯有裂紋件約占50%。該主動(dòng)齒輪齒坯材料為22CrMoH鋼，生產(chǎn)工藝流程為：φ100mm棒材下料→中頻加熱空氣錘鍛造→模鍛成形→等溫正火→機(jī)加工→車(chē)削切齒，齒坯工藝為鍛造后等溫正火處理。

1.金相檢驗(yàn)

對(duì)齒面上有裂紋痕跡的齒坯抽取3只，按發(fā)現(xiàn)裂紋的先后順序分別編號(hào)為1#～3#，進(jìn)行金相解剖檢查（見(jiàn)圖1～圖3）。

圖1 1#樣(未切齒齒坯)

圖2 2#樣(未切齒齒坯)

圖3 3#樣(切齒齒坯)

（1）1#樣檢查結(jié)果 1#樣裂紋縱深度達(dá)4.40mm左右；距表面0.90mm裂紋深度范圍內(nèi)，裂紋兩側(cè)有較嚴(yán)重的脫碳層（見(jiàn)圖4），剩余裂紋向內(nèi)延伸部位無(wú)脫碳層（見(jiàn)圖5），但有明顯的爪形分叉，齒坯的基體組織為等軸狀的珠光體及鐵素體，晶粒度評(píng)為7級(jí)。

圖4 裂紋表層部位 40×

圖5

光譜分析化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合22CrMoH材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。

表1 1#樣光譜分析化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

電子探針能譜儀進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 1#樣微區(qū)化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）2#樣檢查結(jié)果 2#樣裂紋縱深度3.20mm，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳層(見(jiàn)圖6、圖7)，有多處分叉裂紋，齒坯的基體組織為等軸狀的珠光體及鐵素體，晶粒度評(píng)為7.5級(jí)。光譜分析化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合22CrMoH材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表3）。

圖6 裂紋表層部位 400×

圖7 裂紋中間部位 400×

表3 2#樣光譜分析化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）3#樣檢查結(jié)果 3#樣裂紋縱深度3.30mm，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳層（見(jiàn)圖8、圖9），裂紋分叉成多條帶，齒坯的基體組織為等軸狀的珠光體及鐵素體，晶粒度評(píng)為7級(jí)。

圖8 裂紋表層部位 100×

圖9 裂紋中間部位 400×

對(duì)該批失效件作進(jìn)一步分析，抽取3只有裂紋痕跡的齒坯檢測(cè)，試樣分別編為4#～6#樣。4#、5#樣的齒坯，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋損傷。6#樣齒坯在目測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋處有明顯縫隙，不再檢測(cè)。將4#樣進(jìn)行解剖檢查，5#、6#樣標(biāo)識(shí)并滲碳淬火處理，其中5#樣標(biāo)識(shí)為“A”，裂紋痕跡至小端面距離為20mm；6#樣標(biāo)記為“B”，裂紋痕跡至小端面距離為11mm。并在滲碳淬火后跟蹤檢查。

（4）4#樣檢查結(jié)果

4#樣裂紋縱深度5mm，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳層（見(jiàn)圖10、圖11），齒坯的基體組織為等軸狀的珠光體及鐵素體，晶粒度評(píng)為8級(jí)。

圖10 裂紋表層部位 200×

圖11

采用電子探針能譜儀進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 4#樣微區(qū)化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（5）5#樣檢查結(jié)果 5#樣經(jīng)滲碳淬火后，表面裂紋痕跡消失。在熱前標(biāo)識(shí)“A”的單齒上，距小端面20mm處取樣檢查，疑似裂紋深度為0.35mm，裂紋呈倒Y形分叉，且尾部圓鈍。而淬火裂紋應(yīng)為人字形分叉,且尾部尖銳。故該裂紋痕跡應(yīng)為熱處理前裂紋而非淬火裂紋（見(jiàn)圖12～圖14）。金相組織顯示，表面滲層部位為針狀馬氏體及殘留奧氏體，心部組織為低碳板條馬氏體及點(diǎn)狀鐵素體。

（6）6#樣檢查結(jié)果 6#樣滲碳淬火后，在輪齒表面小端面標(biāo)記“B”處有明顯的裂紋，深度達(dá)8.50mm（見(jiàn)圖15），裂紋開(kāi)口較大，裂紋兩側(cè)有高碳馬氏體及回火色澤（見(jiàn)圖16、圖17），表明該裂紋為滲碳淬火形成的應(yīng)力集中擴(kuò)展裂紋。金相組織顯示，表面滲層部位為針狀馬氏體及殘留奧氏體，心部組織為低碳板條馬氏體及點(diǎn)狀鐵素體。

圖12 裂紋部位 200×

圖13 裂紋表層部位 400×

圖14 裂紋末端部位 400×

圖15 裂紋表層部位 100×

圖16 裂紋中間部位 400×

圖17 裂紋末端部位 400×

2.綜合分析

試樣中的裂紋有些是明顯的，有些是隱形的。不論是何種形式的裂紋，其裂紋內(nèi)部均分布有各種各樣的夾雜物，有氧化物、硫化物及硅酸鹽等。

鍛后正火件，目測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋痕跡的部位，無(wú)損檢測(cè)時(shí)未見(jiàn)磁粉堆積現(xiàn)象。這是由于在橫向鍛造過(guò)程中，鍛件表面發(fā)生撕裂，裂紋兩側(cè)氧化。進(jìn)一步縱向鍛造，裂紋在高溫下得到焊合，同時(shí)鐵素體在裂紋焊合部位再結(jié)晶而逐漸向等軸狀晶粒轉(zhuǎn)變。表層一定深度的裂紋較大，裂紋內(nèi)氧化物較多，進(jìn)一步鍛造時(shí)未能焊合。裂縫下段因氧化物較少，裂紋兩側(cè)在高溫高壓下已經(jīng)被牢固地焊合在一起。在等溫正火后外圓切削和切齒時(shí)，如果表層未焊合的裂紋部位剛好被全部切削掉，剩余裂紋部位已基本焊合。這就說(shuō)明無(wú)損檢測(cè)時(shí)，目測(cè)到裂紋痕跡而又未能檢測(cè)到裂紋的緣故。

針對(duì)上述檢查結(jié)果作進(jìn)一步的分析，5#樣滲碳淬火后，表層以下有明顯氧化物的深度為0.35mm，但未形成淬火裂紋，表明該原始未焊合的裂紋已被切削掉。而有明顯裂紋間隙的6#樣，滲碳淬火后表層為開(kāi)口型裂紋，且裂紋總長(zhǎng)度達(dá)8.50mm，由此可見(jiàn)，該裂紋的原始裂紋焊合部位未被完全切削掉，在滲碳淬火時(shí)形成應(yīng)力集中開(kāi)裂。

焊合的裂紋與未焊合而淬裂的裂紋中間，仍然保持或多或少的斷續(xù)分布的塊狀氧化物，兩側(cè)呈細(xì)小顆粒狀氧化物彌散分布，在裂紋末端均為焊合狀態(tài)及鐵素體重結(jié)晶的組織。這種斷續(xù)分布的氧化物夾雜，會(huì)降低工件的熱加工性能和使用效果。在正常熱處理及使用承載過(guò)程中，極易形成應(yīng)力升高源，增大應(yīng)力集中開(kāi)裂傾向。

3.改進(jìn)措施

加強(qiáng)原材料檢查，杜絕原材料的折疊、翻皮等表面缺陷。鋸床下料件進(jìn)行外圓車(chē)削，去除材料表面氧化脫碳層。由多鍛改為一次連續(xù)鍛造，在整個(gè)鍛造過(guò)程中使鍛造溫度保持在奧氏體化溫度以上。及時(shí)清理鍛模型腔內(nèi)氧化皮等雜質(zhì)，保持鍛模型腔內(nèi)清潔、潤(rùn)滑，使工件形變流暢。經(jīng)工藝改進(jìn)后，正火齒坯再未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂件，滲碳淬火跟蹤檢查，也未出現(xiàn)淬火開(kāi)裂現(xiàn)象。