20CrMnTiH鋼差速器齒圈局部斷齒原因分析

邵瑞勇　申磊

摘 要：對(duì)斷裂的20CrMnTiH差速器齒圈的材料、斷口進(jìn)行了分析檢測(cè)。結(jié)果顯示，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相分析、硬度檢驗(yàn)顯示熱處理過(guò)程正常。通過(guò)對(duì)裂紋滲碳層情況綜合分析和對(duì)鍛造過(guò)程進(jìn)行排查，認(rèn)為該裂紋為鍛造過(guò)程導(dǎo)致，其原因與原材料表面缺陷有關(guān)。

關(guān)鍵詞：鍛造折疊；滲碳層；斷口；表面缺陷

中圖分類號(hào)： TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）13-171-2

0 引言

差速器齒圈是汽車重要的傳動(dòng)部件，需承載較大的交變應(yīng)力，要求具有較高的強(qiáng)度和韌性。某汽車差速器齒圈裝車行駛3000km后兩個(gè)齒發(fā)生斷裂，見圖1所示。該差速器齒圈選用20CrMnTiH，具體工藝流程為：原材料入廠—鍛造—正火—機(jī)加工—熱處理—清洗。本文通過(guò)斷裂齒進(jìn)行化學(xué)成分、顯微組織、宏微觀斷口分析，找到造成該差速器齒圈斷齒的主要原因，并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

首先對(duì)斷口進(jìn)行宏觀和微觀形貌分析，判斷斷裂起源部位和斷裂的性質(zhì)。然后在斷裂部位取樣，為了通過(guò)掃描電鏡進(jìn)行斷口容貌及微觀形貌分析，將齒輪截為3斷。將試樣1低溫切割為沿著差圈鋼材的軋制方向，在斷裂部位進(jìn)行切割，為縱向試樣1a和試樣1b，主要檢測(cè)其非金屬夾雜物，帶狀組織和流線等材料組織缺陷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

在齒輪試樣3的本體上進(jìn)行了取樣，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見表1，檢測(cè)結(jié)果符合GB/T5216-2014《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼 》要求。

2.2 硬度檢驗(yàn)

試樣1a齒面硬度檢測(cè)其HV為831.11正常；試樣1b的斷裂最深處進(jìn)行了兩次取樣，分別為HV145.81和HV139.449，說(shuō)明該組織硬度非常低，疑似夾雜物或其它不明組織；

對(duì)試樣2的a處進(jìn)行硬度檢測(cè)，在疑似夾雜物或其它不明組織處，檢測(cè)硬度為HB142.56，然后在試樣2的心部組織處任意位置取樣，測(cè)得其硬度為HV326.50，在疑似夾雜物或其它不明組織的混合處取樣，測(cè)得其硬度為HV226.289。

2.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)試樣1a的平直裂紋和拐角裂紋處，均檢測(cè)到滲碳層。

對(duì)試樣1a的斷裂面進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)滲層組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，過(guò)渡層組織為粗針狀馬氏體、碳化物加殘余奧氏體，且裂紋處無(wú)脫碳現(xiàn)象。對(duì)試樣1a的斷裂最深處進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)存在大量白色的不明組織。

對(duì)試樣2的b處進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)存在大量白色的不明組織，對(duì)其高倍觀察可能為鐵素體或殘余奧氏體，呈明顯晶界，該試樣其它部位的板條狀馬氏體組織與其相連，在部分區(qū)域甚至出現(xiàn)以上兩種組織的混合。

3 討論

3.1 斷口分析

使用MODEL D-4800的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試樣1進(jìn)行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)其中心斷裂面為準(zhǔn)解理面，有河流狀或舌狀花紋；外斷裂面表現(xiàn)為沿晶斷裂，存在少量球狀物和斷裂韌窩。

對(duì)試樣2進(jìn)行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)其裂紋貫穿視場(chǎng)，裂紋處存在明顯得顏色差異；在裂紋的紅圈處放大，偏向于脆性斷裂，斷裂較為平直。試樣2的另外一處裂紋，表現(xiàn)為部分拉伸韌窩，更偏向于韌性斷裂。

對(duì)試樣3進(jìn)行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)其裂紋是擠壓形成的，未形成大范圍的擴(kuò)展裂紋，其斷裂面表現(xiàn)為受擠壓后重新組合在一起。

以上分析指向試樣1中心斷裂面可能是斷裂源，其外斷裂面是伴隨斷裂，表現(xiàn)為沿晶斷裂；試樣2的主裂紋偏向于脆性斷裂，側(cè)面另外一條裂紋偏向于韌性斷裂；試樣3未形成大范圍的擴(kuò)展裂紋，其斷裂面表現(xiàn)為受力擠壓后重新組合。

3.2 金相檢測(cè)分析

本文中發(fā)生裂紋的齒輪試樣1a，發(fā)現(xiàn)其平直裂紋和拐角裂紋處，均檢測(cè)到滲碳層，推測(cè)其裂紋可能發(fā)生在熱處理之前。毛坯在機(jī)加工之后，將夾雜在鍛件中的夾雜物或不明組織顯現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)滲碳淬火后，夾雜物或不明組織形成小的孔洞或裂紋，因此，表現(xiàn)為滲碳淬火后其裂紋出現(xiàn)滲碳層。

4 結(jié)論與建議

①該差速器齒圈斷齒缺陷產(chǎn)生于鍛造過(guò)程，原因?yàn)殄懺鞎r(shí)坯料表面存在劃傷，鍛造后嵌入表面形成缺陷。

經(jīng)過(guò)機(jī)加工后，表面缺陷暴露萌生疲勞裂紋源，在滲碳淬火后的熱應(yīng)力及組織應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展。當(dāng)齒輪收到嚙合的交變應(yīng)力作用下，缺陷部分齒面發(fā)生斷裂失效。

②加強(qiáng)棒材軋制控制和表面探傷精整來(lái)提高表面質(zhì)量，鍛造廠在原材料入廠時(shí)加強(qiáng)外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，對(duì)圓鋼頭部增加切除量，建議切除長(zhǎng)度在直徑的一倍以上。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鐘群鵬，張崢，田永江.機(jī)械裝備失效分析診斷技術(shù)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28（5）：497-502.

[2] 王榮.30CrMo鋼油管接頭開裂原因分析[J].金屬熱處理，2006，31（4）：73-76.

[3] 蔡朝華，裴建華，韓政，等.20CrMnTiH齒輪軸脆斷及裂紋原因分析[J].山東冶金，2012，34（6）：45-47.