滲碳齒面裂紋成因分析

程書海　胡寒婷　史　琪

(中信重工機械股份有限公司計量檢測中心， 河南471039)

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滲碳齒面裂紋成因分析

程書海胡寒婷史琪

(中信重工機械股份有限公司計量檢測中心， 河南471039)

摘要：同批處理的滲碳齒輪在磨齒成形后發(fā)現(xiàn)齒面裂紋，通過采用化學分析、宏觀分析、金相分析、硬度測試、電鏡分析、X射線應(yīng)力測試、工藝試驗等方法對齒面裂紋成因分析，結(jié)果表明，由于齒輪滲碳層內(nèi)有滲氫現(xiàn)象，磨削燒傷后，在內(nèi)部拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生了氫脆，最終導(dǎo)致齒面收縮開裂，由此提出了預(yù)防和改進措施。

關(guān)鍵詞：磨削燒傷；應(yīng)力變化；氫脆；收縮裂紋；剝落

某公司近期在滲碳齒面磨齒成形過程中經(jīng)常產(chǎn)生齒面裂紋，有齒長方向的條形、半封閉網(wǎng)格形裂紋、有垂直于磨削方向的細小裂紋。本次分析了同型號、同批熱處理的行星輪共六件，材質(zhì)為20CrNi2MoA，鍛造粗加工成形后經(jīng)滲碳淬火，在最后一道磨齒工序結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)六件產(chǎn)品均有不同程度的表面裂紋，因此進行裂紋原因分析。

1理化檢驗與結(jié)果分析

1.1化學成分分析

在輪齒心部取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1?；瘜W成分符合20CrNi2MoA規(guī)范。

1.2宏觀分析

觀察發(fā)現(xiàn)，六件產(chǎn)品齒條表面大多有裂紋，裂紋位置極其相似，均位于節(jié)圓下方，由縱向裂紋與橫向裂紋交織構(gòu)成，呈半網(wǎng)格形。裂紋主要位于同一側(cè)的齒面，裂縫邊緣向外翻起，裂紋側(cè)磨削量較大，輪齒截面低倍形貌如圖1所示。

1.3金相分析

(1)取多個有裂紋的橫向試樣，磨制后觀察裂紋典型形貌，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，開放型裂紋尖角向外翹起，呈剝落型裂紋，中后段呈鋸齒狀，深度約1.7 mm。用4%硝酸酒精浸蝕后觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，剝落塊中部外表層有亮白色組織，厚度約120 μm，緊鄰層為深灰色組織，厚約600 μm，滲碳層正常組織為灰色。經(jīng)硬度測試和金相分析，這些組織分別為淬火馬氏體、回火索氏體和回火屈氏體。

圖1　輪齒截面低倍形貌

(2)沿著裂紋的中部取齒長方向的縱向試樣，磨制后進行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，在近表層發(fā)現(xiàn)有與表層相連的較大裂紋，在其附近也出現(xiàn)了與外界未連通的小裂紋，裂紋均呈鋸齒狀，多為二次裂紋，方向與淬火帶大致垂直。內(nèi)部裂縫較外部裂縫更寬，且有內(nèi)部封閉裂紋，表明內(nèi)部存在較大的拉應(yīng)力，裂紋首先在內(nèi)部產(chǎn)生。圖5為縱向試樣浸蝕后觀察到的裂紋形貌。由圖5可見白亮區(qū)淬火隱針馬氏體區(qū)，表明已經(jīng)發(fā)生了磨削淬火燒傷，淬火層最深約為120 μm，在燒傷帶內(nèi)生成橫向裂紋。緊鄰淬火帶的次表層是易浸蝕的回火索氏體和回火屈氏體，厚約600 μm，表明已發(fā)生回火燒傷。緊接著為正?；鼗瘃R氏體區(qū)，如圖6所示。心部組織為鐵素體、貝氏體，如圖7所示。裂紋在滲碳層內(nèi)擴展，深約為1.7 mm，裂紋方向與表面大致垂直，淺表層為穿晶，中后段為沿晶開裂，如圖8所示。滲碳層正常組織為回火隱晶馬氏體、粒狀碳化物、殘余奧氏體。

表1　行星輪的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

(a) (b)

(a) (b)

(a) (b)

圖5　縱向試樣硝酸酒精浸蝕后裂紋形貌

圖6　燒傷區(qū)顯微組織

圖7　心部顯微組織

圖8　晶間擴展裂紋

1.4硬度試驗

齒輪正常滲碳層表層洛氏硬度值為57±2 HRC。用50 g負荷檢測多點維氏硬度值，表層淬火區(qū)厚度為120 μm，硬度為720~840 HV0.05(相當于61~64.5 HRC)，緊鄰區(qū)回火層厚度為130~640 μm，硬度為280~340 HV0.05，(相當于29~37 HRC)，向內(nèi)硬度值逐漸上升。由上可判斷表層產(chǎn)生了淬火燒傷，內(nèi)層產(chǎn)生了回火燒傷。

1.5電鏡分析

磨齒后形成的裂紋一般都很細小，裂紋面很難打開，經(jīng)過努力，最后終于取得一個裂紋剝落塊試樣，其低倍形貌如圖9所示。用電鏡放大觀察，其微觀形貌在淺層區(qū)為沿晶和穿晶的混合形式，在深層區(qū)主要為沿晶開裂、晶面光滑，并有爪狀撕裂線，有大量二次裂紋，具有典型的氫脆特征[2]，如圖10所示。

1.6X射線應(yīng)力檢測

采用Xstress3000 X射線應(yīng)力分析儀對齒輪裂紋處和無裂紋處及裂紋附近表面及淺層內(nèi)部進行殘余應(yīng)力檢測。試驗采用剝層法，每間隔100 μm進行一次應(yīng)力測試，其檢測結(jié)果見表2所示。

X射線應(yīng)力測試表明，正常區(qū)滲碳層從表面到500 μm厚度內(nèi)應(yīng)力一直呈壓應(yīng)力狀態(tài)，齒寬方向為400 MPa以下，齒高方向為600 MPa以下。但在裂紋處燒傷帶表面，齒高方向壓應(yīng)力達1 000MPa以上，齒寬方向達到600 MPa以上，表明淬火燒傷后表面壓應(yīng)力有增大趨勢。但其下方則由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，特別是離裂紋稍遠，拉應(yīng)力可達到上千兆帕級別。裂紋處的拉應(yīng)力較小，這是產(chǎn)生裂紋釋放應(yīng)力所致。由于淬火帶兩側(cè)回火燒傷，表面壓應(yīng)力明顯減小。

圖9　剝落塊形貌

(a) (b)

表2　殘余應(yīng)力檢測結(jié)果(MPa)

備注：“+”表示拉應(yīng)力；“-”表示壓應(yīng)力。

2分析討論

正常的滲碳齒輪表層組織應(yīng)為回火馬氏體+粒狀碳化物+少量奧氏體，表面洛氏硬度為57~59 HRC，并且滲碳層內(nèi)的硬度從表層到內(nèi)部逐漸降低，而所分析的試樣在這兩方面都出現(xiàn)異常：(1)表層出現(xiàn)了淬火馬氏體，洛氏硬度為61~64.5 HRC，說明表層淬火燒傷。(2)緊鄰內(nèi)層出現(xiàn)回火索氏體和回火屈氏體，洛氏硬度為29~37 HRC，明顯產(chǎn)生了高溫回火燒傷。(3)再向內(nèi)層，硬度又逐漸回復(fù)到52~54 HRC。硬度分布為高-低-高，分析認為這是磨齒過程中表面磨削燒傷的結(jié)果。磨削過程中，齒面與砂輪接觸，磨粒承受的壓力可以分解為法向應(yīng)力和切向應(yīng)力。法向分力使磨粒刺入表面，切向分力使磨粒沿平行于表面方向滑動。如果磨粒棱角銳利，角度合適，可以形成切削狀的顯微切屑磨屑，它的前方一直立在表面上，如同機加工切屑的特征，磨粒在金屬表面上形成切槽，切槽的兩邊及底部均會產(chǎn)生一定的變形層，此過程磨擦熱較小。如果磨粒的棱角不適合切削，多個磨粒與金屬相互作用，使金屬多次變形，在金屬表面形成犁溝變形，將金屬推向前方，或推向磨粒運動方向的兩側(cè)，形成多次碾壓變形的臺階，某些變形臺階在平行于磨痕的方向產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展形成薄片狀磨屑，也可能產(chǎn)生垂直于磨痕方向的裂紋，裂紋擴展形成磨屑[1]。磨擦熱主要由磨粒運動產(chǎn)生，如果砂輪工作參數(shù)設(shè)置不合理，磨擦力巨大，接觸面溫度可以從幾百度升至上千度，一旦達到材料的奧氏體化溫度，接觸薄層區(qū)會重新淬火。由于熱傳導(dǎo)作用，緊鄰區(qū)溫度也會升高，使馬氏體分解，得到回火索氏體和回火屈氏體，硬度下降較大。再遠離些，影響力下降，硬度值恢復(fù)正常。所以齒面磨削過程中，選擇磨削參數(shù)是很重要的，如每次磨深、砂輪轉(zhuǎn)速、平移速度等。由宏觀分析還可看出，裂紋總是發(fā)生在磨削量較大的一側(cè)，分析認為由于采用兩面磨，齒形有對中問題，某一面的砂輪磨深較大，所以該面產(chǎn)生燒傷概率也較大。

磨削燒傷帶沿著齒長方向，其兩側(cè)及下方均產(chǎn)生回火燒傷，在回火燒傷區(qū)內(nèi)裂紋可能會發(fā)展，特別是在燒傷帶的正下方，可以看到較多的內(nèi)部橫向裂紋及二次裂紋，并且在內(nèi)部裂縫相對較大，可以推測，裂紋首先由內(nèi)部產(chǎn)生，說明其下方有巨大的拉應(yīng)力存在。巨大拉應(yīng)力的來源主要是由于發(fā)生了磨削燒傷。在滲碳層內(nèi)，正常組織為均勻一致的馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體，內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力。由于燒傷后其組織發(fā)生了變化，表層重新淬火，形成了體積較大的淬火馬氏體，其內(nèi)部由于熱傳導(dǎo)作用，原來的馬氏體發(fā)生了分解，形成了體積較小的回火索氏體和回火屈氏體，由于體積收縮，就會在淬火帶的周圍(尺寸大于600 μm)形成局部拉應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力測試表明，該拉應(yīng)力可以達到千兆帕級別，如果材料的塑性或強度不夠，必然在拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)出現(xiàn)裂紋。

在齒長方向上橫向裂紋呈相距較均勻的分布，金相分析表明中部位置是一條條狀燒傷帶，說明內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w和屈氏體后，體積收縮較均勻，每相隔一段距離，其內(nèi)部的巨大拉應(yīng)力會通過產(chǎn)生裂紋釋放，包括內(nèi)部裂紋。在橫向上，由于淬火帶較窄，收縮尺寸較小，大多數(shù)情況下只在其一側(cè)產(chǎn)生裂紋，并且總是圍繞淬火帶周圍擴展，呈剝落型，如圖3，說明燒傷后組織的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了巨大的拉應(yīng)力，這是產(chǎn)生縱向裂紋的原因。

剝落塊的電鏡觀察表明，裂紋擴展主要為沿晶型，大量的二次裂紋具有典型的氫脆微觀形貌，并具有延遲開裂特性，表明滲碳層內(nèi)產(chǎn)生了氫脆現(xiàn)象。氫脆可導(dǎo)致材料的塑性指標大幅下降，這也是齒面產(chǎn)生裂紋的重要原因。氫脆的產(chǎn)生必須具備三個基本條件：1)有足夠的氫；2)有對氫敏感的金相組織；3)有足夠的三向應(yīng)力存在。滲碳過程中，無論是在排氣階段還是在強滲階段，爐內(nèi)氣氛含有大量的氫氣，存在大量可被工件表面吸附的活性氫原子，在此氣氛下工件長時間保溫，必然產(chǎn)生滲氫現(xiàn)象[2]，表面燒傷后，其滲層內(nèi)產(chǎn)生了三向拉應(yīng)力區(qū)，滿足了氫脆產(chǎn)生的條件，必然會產(chǎn)生晶界脆化，導(dǎo)致材料的韌性大幅下降，這也是齒表燒傷后產(chǎn)生開裂的重要原因。所以一般需要滲碳后脫氫退火處理，或淬火后進行長時回火，或二次回火，這樣就可防止由于磨削不當而引起開裂。

工藝試驗：為驗證上述結(jié)論是否正確，我們將本批工件中一個行星輪重新進行160℃下6 h二次長時回火，然后以不同的磨削量對沒有裂紋的齒面進行磨齒試驗，磨削深度分別采用20 μm、40 μm、60 μm、80 μm，其中20 μm是生產(chǎn)中正常使用參數(shù)。磨齒后檢查發(fā)現(xiàn)正常磨削深度20 μm的齒面沒有出現(xiàn)燒傷，大磨削量的齒面明顯產(chǎn)生了變色燒傷，金相分析發(fā)現(xiàn)有表面淬火層，但停置一段時間后檢查，未發(fā)現(xiàn)齒面裂紋。該試驗表明了滲層內(nèi)過量的氫是磨削燒傷后產(chǎn)生裂紋的重要原因。當然齒面燒傷也是一種嚴重缺陷，對以后的使用壽命也有較大影響。

3結(jié)論

(1)滲碳層中含有過量的氫是導(dǎo)致磨削燒傷后產(chǎn)生氫脆的原因，也是導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的原因。

(2)齒面磨削燒傷是產(chǎn)生裂紋的誘因。

(3)齒輪滲碳后應(yīng)進行去氫退火處理、或淬火后進行長時回火、或二次回火。

(4)嚴格控制磨削量，防止齒面燒傷。

參考文獻

[1]劉英杰，成克強. 磨損失效分析[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1991：31.

[2]王廣生，石康才，周敬恩，等. 金屬熱處理缺陷分析及案例[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997：12-14.

Analysis on the Reason of Crack on Carburized Gear Tooth Surface

Cheng Shuhai, Hu Hanting, Shi Qi

Abstract：Tooth surface cracks are found in the same batch of carburized gears after grinding forming. The reason of tooth surface crack is analyzed by chemical composition analysis, macroscopic analysis, metallographic analysis, hardness test, scanning electron microscope analysis, X-ray residual stress measurement and process test, etc. The result shows that there is the phenomenon of hydrogen penetration in the carburized layer of gear, so that the hydrogen brittleness is occurred under the effect of internal tensile stress after grinding burn, and eventually leads to the shrinkage crack of teeth surface. And the prevention and improvement measures are proposed.

Key words：grinding burn; variation of stress; hydrogen brittleness; shrinkage crack; peeling

中圖分類號：TG162.73

文獻標志碼：B

作者簡介：程學海(1963—)，男，工程師。主要研究方向：電鏡分析、金相分析。電話：13523625436，E-mail：syp98703@163.com

收稿日期：2015—11—06