齒輪軸縱向延遲開(kāi)裂的原因分析

錢(qián)志高 張偉

[摘? ? 要 ]齒輪軸是一種金屬圓桿狀的機(jī)械零件，主要用于支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件，并與之一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩。在加工制造或?qū)嶋H應(yīng)用中，齒輪軸可能會(huì)出現(xiàn)各種質(zhì)量問(wèn)題，其中縱向延遲開(kāi)裂是一種較為常見(jiàn)的情況。本文針對(duì)某齒輪軸樣品的縱向延遲開(kāi)裂問(wèn)題，分別進(jìn)行了化學(xué)成分檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、顯微組織檢驗(yàn)等一系列工作，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果分析、判斷了導(dǎo)致開(kāi)裂的具體原因，即殘余應(yīng)力作用下的氫延遲開(kāi)裂。最后提出了針對(duì)性的解決建議。

[關(guān)鍵詞]齒輪軸;縱向延遲開(kāi)裂;金相檢驗(yàn);斷口分析

[中圖分類(lèi)號(hào)]TH132.41 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Gear shaft is a kind of metal rod-shaped mechanical parts， which is mainly used to support rotating parts and rotate with them， so as to transfer motion， torque or bending moment. In manufacturing or practical application， there may be a variety of quality problems of gear shaft， in which longitudinal delayed cracking is a common case. Aiming at the problem of longitudinal delayed cracking of a gear shaft sample， a series of work such as chemical composition inspection， metallographic inspection and microstructure inspection were carried out respectively. According to the inspection results， the specific cause of cracking was analyzed and judged， that is， hydrogen delayed cracking under residual stress. Finally， the paper puts forward some suggestions.

[Keywords]gear shaft; longitudinal delayed cracking; metallographic examination; fracture analysis

作為機(jī)械裝置的重要零件，齒輪軸的質(zhì)量將會(huì)對(duì)機(jī)械裝置的運(yùn)行效率和使用安全產(chǎn)生直接影響。某齒輪軸的材質(zhì)為20CrMnTi，加工處理流程為：棒料、機(jī)械加工、表面氣體滲碳、淬火、低溫回火。同一批次的齒輪軸中，有較多的零件均出現(xiàn)了縱向裂縫，因?yàn)檫_(dá)不到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)而無(wú)法交付。因此，必須要通過(guò)深入分析，明確導(dǎo)致齒輪軸縱向開(kāi)裂的具體原因，然后采取改良工藝和處理措施，降低經(jīng)濟(jì)損失。

1 產(chǎn)品理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

從齒輪軸上取少量樣品，使用光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。根據(jù)光譜儀分析結(jié)果，主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：碳0.21%、硅0.28%、錳1.05%、鉻1.30%、鈦0.05%、磷0.02%。用實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)各類(lèi)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)全部在標(biāo)準(zhǔn)范圍以?xún)?nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常，符合《合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T3007-2015）》中對(duì)20CrMnTi鋼的成分要求。

1.2 金相檢驗(yàn)及斷口分析

從齒輪軸上切割少部分作為試樣，使用工具將其磨制、拋光后，放于金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。在左側(cè)端面上，可以發(fā)現(xiàn)有一處較為明顯的開(kāi)裂，從端部軸壁向下貫穿于機(jī)加工的內(nèi)孔。此處開(kāi)裂為上寬下窄，端部裂口最寬處達(dá)到了1.3 mm。裂縫在內(nèi)孔處停止，未擴(kuò)展到右側(cè)端面。裂紋較為平直，只有在軸體結(jié)構(gòu)突變部位有輕微的變形。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，整條裂紋自始至終貫通，未出現(xiàn)斷續(xù)情況。該裂紋的形狀特征與淬火應(yīng)力下開(kāi)裂裂紋的特征相符合。

在完成表面觀察后，使用工具將裂紋啟開(kāi)，對(duì)裂紋內(nèi)部情況做進(jìn)一步的觀察和檢驗(yàn)。可以發(fā)現(xiàn)，在齒輪軸的齒根表面1.4 mm×3.1 mm的長(zhǎng)方形范圍內(nèi)，出現(xiàn)了裂紋。并且該裂紋從表層向深部繼續(xù)擴(kuò)展，裂紋的末端已經(jīng)達(dá)到了齒輪軸的中心區(qū)域。另外，在顯微鏡下還觀察到一條長(zhǎng)度為1.4 mm，主要成分為鎂鋁氧化物的大尺寸非金屬夾雜物的起裂源。從分布位置上來(lái)看，該起裂源靠近滲碳淬硬層，在基體過(guò)渡區(qū)上方。非金屬夾雜物的兩側(cè)，可以觀察到脆性沿晶（靠近滲碳淬硬層）和穿晶準(zhǔn)解理（靠近基體過(guò)渡區(qū)）的混合斷口。在起裂源右側(cè)2.7 mm處的梭型凹坑內(nèi)，還發(fā)現(xiàn)了另一處長(zhǎng)度為1.7 mm的大尺寸夾雜物。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物成分、外貌特征等，與上一處起裂源相似。參照《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法（GB/T10561-2005）》中的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，觀察到的兩處起裂源大尺寸夾雜物的級(jí)別相當(dāng)于B2.5級(jí)。

1.3 硬度檢驗(yàn)及滲碳層深度測(cè)試

材料的環(huán)向抗拉強(qiáng)度為1100 MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度為840MPa，斷后伸長(zhǎng)率為14%，斷面收縮率為60%。齒腰處測(cè)得的表面滲碳硬化層深度為1.37 mm，輪齒心部組織的平均硬度為430HV0.5，不同測(cè)試點(diǎn)顯微硬度值相差可達(dá)40HV0.5，存在硬度分布不均勻問(wèn)題。材料力學(xué)性能和表面滲碳層深度均符合相關(guān)的技術(shù)條件要求。

1.4 顯微組織檢驗(yàn)

斷裂源區(qū)附近的橫剖面低倍組織比較均勻，除輕微的錠型偏析外，未見(jiàn)其它低倍組織缺陷。從低倍試樣上還可以看到，淬火裂紋基本上沿徑向擴(kuò)展，從表面到心部裂紋比較平直，通過(guò)心部后擴(kuò)展方向才發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展方向主要受淬火應(yīng)力控制。在齒輪軸的縱向切割斷面上，可以發(fā)現(xiàn)半徑1/2處，以及裂紋源附近，分別含有較為明顯的非金屬夾雜物。通過(guò)提取這些夾雜物并進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)以點(diǎn)狀氧化物為主，同時(shí)還含有少量的硫化物。提取齒輪軸表面滲碳層材料進(jìn)行分析，結(jié)果表明材料屬于針狀回火馬氏體組織;按照同樣的方法，對(duì)齒輪軸心部材料進(jìn)行分析，結(jié)果明顯材料屬于板條狀回火馬氏體組織。兩處材料的檢查結(jié)果均發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)重的帶狀顯微偏析。將上述觀察及分析結(jié)果，對(duì)照《金屬平均晶粒度測(cè)定方法（GB/T6394-2002）》中的相關(guān)規(guī)定，確定齒輪軸心部原奧氏體晶粒度為8.0級(jí)。

在顯微觀察中，使用高倍鏡觀察到，在裂紋兩側(cè)并未出現(xiàn)材料氧化、脫碳的情況，這也側(cè)面印證了裂縫是在齒輪軸熱處理環(huán)節(jié)出現(xiàn)的。進(jìn)一步觀察裂縫的紋路及走向，從位于材料內(nèi)部的起裂源，沿著晶界由內(nèi)而外的向表層延伸。這種分布形態(tài)與一般的調(diào)質(zhì)熱處理裂紋不匹配。提取裂縫兩側(cè)和斷口處的夾雜物，其顏色為灰褐色，使用色譜儀分析后，判斷該夾雜物的主要成分時(shí)FeS-FeO。同樣的，這類(lèi)物質(zhì)也不可能在調(diào)質(zhì)熱處理的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生。綜合上述條件，可以推斷出該裂紋的形成，是熱處理環(huán)節(jié)鍛造工藝不當(dāng)或操作方法不當(dāng)引起的。例如，在熱處理時(shí)加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致材料中的MnS被氧化，成為了MnO，同樣的，一部分Fe和S結(jié)合生成了FeS、還有一部分Fe氧化又生成了FeO。最終產(chǎn)物FeS-FeO在裂縫處不斷積累，引起熱脆，即鍛造過(guò)程中發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的穩(wěn)定過(guò)熱。在齒輪軸的加工工藝中，雖然經(jīng)過(guò)鍛造處理后，齒輪軸的表面為由立刻出現(xiàn)裂紋，但是在內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)上，晶界已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的脆化。熱處理中因?yàn)閼?yīng)力集中，內(nèi)部脆化部分形成了裂縫，然后這些裂縫不斷發(fā)育，由內(nèi)而外的擴(kuò)展，最終在齒輪軸的表面觀察到縱向裂縫。

2 齒輪軸縱向延遲開(kāi)裂的原因分析

結(jié)合齒輪軸的尺寸以及裂縫的寬度，可以計(jì)算出起裂源處的彈性應(yīng)變量。在此基礎(chǔ)上，繪制出彈性應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線能夠粗略估算起裂源位置，經(jīng)過(guò)熱處理后周向殘余拉應(yīng)力約為620 MPa。由于該批次的齒輪軸剛制作完成、并未投入使用，在存儲(chǔ)期間沒(méi)有受到其他作用力的影響，可以初步排除是外部作用力導(dǎo)致的裂紋。同時(shí)，根據(jù)觀察和分析起裂源周邊拉伸斷口和沖擊斷口，發(fā)現(xiàn)兩處斷口都是以準(zhǔn)解理斷口為主，這與起裂源斷口的特征并不相同。根據(jù)這一現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了齒輪軸的裂紋與外力過(guò)載沒(méi)有直接聯(lián)系。另外，結(jié)合之前的觀察和分析，可知在起裂源區(qū)的裂縫斷口處，分布著較多的脆性沿晶。而脆性沿晶的形成，是氫致延遲斷裂的一種典型特征。根據(jù)作用形式的不同，又可以分成外部氫和內(nèi)部氫導(dǎo)致材料脆化、引發(fā)開(kāi)裂的2種情況。具體到待測(cè)齒輪軸來(lái)說(shuō)，結(jié)合前期觀察結(jié)果和放置環(huán)境，空氣干燥，未發(fā)現(xiàn)銹蝕痕跡，不具備外部氫導(dǎo)致材質(zhì)脆化的條件，因此判斷為內(nèi)氫延遲斷裂。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高強(qiáng)度的鋼材料，發(fā)生氫致延遲斷裂主要與2種因素直接相關(guān)，其一是應(yīng)力過(guò)于集中，其二是氫的富集。正常情況下，根據(jù)《合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T3007-2015）》中對(duì)20CrMnTi鋼的成分要求，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.7×10-5以下，但是實(shí)際測(cè)量值達(dá)到1.2×10-5，氫含量超標(biāo)。當(dāng)材料局部的氫含量和應(yīng)力值，超出了最大允許范圍時(shí)，就會(huì)因?yàn)闅涞母患?，加速材料的脆化。與此同時(shí)，因?yàn)閼?yīng)力集中，導(dǎo)致脆化的材料發(fā)生延遲斷裂。另外，當(dāng)齒輪軸發(fā)生縱向開(kāi)裂后，裂縫中存在的非金屬夾雜物，還會(huì)對(duì)氫原子產(chǎn)生吸附作用。從而使周邊的氫原子，或是外部氫原子不斷的向裂縫位置移動(dòng)、富集，最終裂縫處的局部氫含量明顯超出正常值，促使裂縫進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展。大尺寸非金屬夾雜物的存在導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼的連續(xù)性受到了破壞，開(kāi)裂處能夠承受的最大應(yīng)力值也低于其他正常位置，這也會(huì)導(dǎo)致材料的延遲開(kāi)裂進(jìn)一步加劇。

齒輪軸表面經(jīng)滲碳硬化處理后，沿深度方向碳含量分布形成較大的梯度，因此淬火后馬氏體相變產(chǎn)生的體積變化不同，表面層殘余應(yīng)力的總體分布是表層滲碳區(qū)為壓應(yīng)力，滲碳層下過(guò)渡區(qū)殘余應(yīng)力逐漸由最大壓應(yīng)力過(guò)渡到最大拉應(yīng)力。所分析齒輪軸表面下方2.2～2.5 mm深度處的硬度接近基體，為最大殘余拉應(yīng)力分布區(qū)域?？梢?jiàn)，裂紋源處的非金屬夾雜物恰位于最大殘余拉應(yīng)力區(qū)。裂紋源右側(cè)夾雜物雖然尺寸更大且周?chē)寻l(fā)生氫致延遲裂紋，但由于其位置更深，殘余拉應(yīng)力值略低，因而沒(méi)有先于源區(qū)的裂紋發(fā)生大面積擴(kuò)展。

在前期的金相檢驗(yàn)中，起裂源區(qū)的夾雜物不易檢測(cè)，給檢驗(yàn)、分析帶來(lái)了一定的難度。究其原因，與夾雜物的來(lái)源有密切關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，這些夾雜物都屬于外源性非金屬夾雜物，而普通的金相檢驗(yàn)，只能檢測(cè)到內(nèi)生性非金屬夾雜物。為了準(zhǔn)確識(shí)別起裂源區(qū)夾雜物的成分、特征，考慮使用無(wú)損檢測(cè)代替金相檢驗(yàn)。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，無(wú)損檢測(cè)通過(guò)非接觸式的方式，對(duì)裂縫內(nèi)存在的夾雜物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，為分析延遲開(kāi)裂提供了必要的參考。此外，根據(jù)觀察和分析，齒輪軸還表現(xiàn)出較為明顯的帶狀顯微偏析。材料硬度并不均勻，起裂源就分布在硬度偏小的區(qū)域。

3 結(jié)論及建議

3.1 分析結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展一系列實(shí)驗(yàn)和分析，可以確定該齒輪軸的裂縫，是熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力過(guò)于集中，加上內(nèi)部氫在局部富集，導(dǎo)致材料脆性增強(qiáng)，因?yàn)閼?yīng)力過(guò)載而引發(fā)的延遲開(kāi)裂。開(kāi)裂方向與應(yīng)力方向相同，故表現(xiàn)為縱向裂縫。其中，齒根下方既是拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)又容易集聚非金屬夾雜物，這是導(dǎo)致裂縫形成后，繼續(xù)發(fā)育和擴(kuò)展的重要原因。在齒輪軸的加工過(guò)程中，經(jīng)過(guò)熱處理環(huán)節(jié)后，材料局部硬度發(fā)生變化，導(dǎo)致硬度不均勻，在硬度偏小的區(qū)域，齒輪軸材料的環(huán)向力學(xué)性能遭到了破壞，也是引起氫致延遲開(kāi)裂的又一重要原因。

3.2 解決建議

在檢驗(yàn)方面，齒輪軸送檢時(shí)應(yīng)當(dāng)將大尺寸非金屬夾雜物作為重點(diǎn)檢查對(duì)象。如果常規(guī)的金相檢驗(yàn)不能準(zhǔn)確、清晰的觀察到非金屬夾雜物，還應(yīng)考慮使用無(wú)損檢測(cè)。在加工方面，在齒輪軸的加工工藝中，可以適當(dāng)增加回火溫度，并且相應(yīng)的縮短加熱時(shí)間。這樣能夠有效降低熱處理環(huán)節(jié)中的殘余應(yīng)力，從而降低了出現(xiàn)延遲開(kāi)裂的概率。

結(jié)語(yǔ)：齒輪軸的斷裂是生產(chǎn)制造和使用運(yùn)行中較為常見(jiàn)的一類(lèi)故障。使用過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，可能與荷載過(guò)大等外部因素有關(guān)。但是如果剛出廠、未使用的齒輪軸出現(xiàn)了開(kāi)裂，則考慮是生產(chǎn)工藝出現(xiàn)了問(wèn)題。為了從源頭上解決問(wèn)題、遏制損失，必須要選取出現(xiàn)裂縫的齒輪軸樣品進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。在本文的研究中，針對(duì)斷裂的齒輪軸樣品，分別進(jìn)行了金相檢驗(yàn)、斷口分析、化學(xué)成分檢驗(yàn)、顯微組織檢驗(yàn)等一系列工作。根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和檢驗(yàn)的結(jié)果，最終判斷該齒輪軸的斷裂，屬于氫致延遲開(kāi)裂。氫原子在局部富集，導(dǎo)致鋼材料的脆性增強(qiáng)。同時(shí)，由于應(yīng)力集中，引起裂縫。明確了原因后，提出了提升回火溫度并縮短加熱時(shí)間的解決建議。經(jīng)過(guò)工藝改良后，新生產(chǎn)的齒輪軸未再發(fā)現(xiàn)縱向延遲開(kāi)裂的情況，問(wèn)題得到了解決。

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