一種Cr-Mo系齒輪鋼滲碳開裂失效分析

傅子建

（馬鋼招標(biāo)公司，安徽 馬鞍山 243000）

在汽車等常用運(yùn)輸設(shè)備中，齒輪主要用于變速器和主減速器中。齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，承擔(dān)著傳遞動(dòng)力和扭矩，嚙合齒面之間承受著很高的循環(huán)接觸負(fù)荷[1-3]。齒面嚙合部位既存在相對滾動(dòng)，又有相對滑動(dòng)，使得齒面上受到復(fù)雜的作用力，同時(shí)由于齒側(cè)間隙的存在，還會(huì)使齒面在運(yùn)動(dòng)中受到?jīng)_擊，齒根部位受到脈沖或交變彎曲應(yīng)力作用，是典型的重載工作狀態(tài)，它的強(qiáng)度和使用壽命直接影響著汽車的承載能力和運(yùn)行安全[4-7]，因此，齒輪鋼的生產(chǎn)質(zhì)量至關(guān)重要。

本文針對某新開發(fā)新型Cr-Mo系齒輪鋼，滲碳淬火后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，通過對失效齒輪進(jìn)行失效分析，確定齒輪發(fā)生失效的原因，為后續(xù)避免出現(xiàn)類似問題提供支撐。

1 失效齒輪分析方法

失效齒輪材料為150公斤真空感應(yīng)爐冶煉，澆鑄成150mm×150mm方坯，鍛造成Ф80mm圓棒，正火處理后，加工成Ф40mm齒輪毛坯試樣進(jìn)行滲碳處理，滲碳溫度為930℃，滲碳后將至860℃淬火，并對試樣進(jìn)行低溫回火。回火后，發(fā)現(xiàn)試樣出現(xiàn)裂紋。

利用線切割將斷口切下，采用QUANTA450掃描電鏡對斷口形貌進(jìn)行分析。利用線切割沿垂直于開裂部位切開，經(jīng)磨、拋后在顯微硬度計(jì)上對滲碳層進(jìn)行維氏硬度分析，對心部進(jìn)行洛氏硬度分析，并分別在3%的硝酸酒精溶液和飽和苦味酸溶液下進(jìn)行腐蝕，腐蝕后在Axio Imager M2m光學(xué)顯微鏡對試樣的組織。在ARL 4460火花放電原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。

2 分析結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

表1 是開裂齒輪的化學(xué)成分分析結(jié)果，可見，各元素含量均符技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 滲層硬度

對開裂試樣正常區(qū)域和開裂附近進(jìn)行顯微硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見圖1。可以看出這兩處的顯微硬度變化非常接近，若將顯微硬度高于550HV的位置判定為滲碳層，則正常區(qū)域滲碳層厚度為3.4mm，開裂附近滲碳層厚度為3.1mm，檢驗(yàn)結(jié)果顯示各部位滲碳較為均勻。滲碳層最大硬度約750HV0.2。開裂區(qū)域硬度偏低可能與檢測位置接近裂紋處，存在檢驗(yàn)誤差。

圖1 顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 滲層組織

取滲碳后試樣，研磨拋光腐蝕后觀察組織形貌，并按GB/T 25744-2010進(jìn)行組織評級(jí)。顯微組織圖2，可以看出滲碳層為針狀馬氏體，組織級(jí)別為4級(jí)；心部為低碳馬氏體，未見游離鐵素體和貝氏體，組織級(jí)別為1級(jí)；未發(fā)現(xiàn)異常組織。

表1 失效齒輪化學(xué)成分及要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖2 齒輪顯微組織

2.4 斷口分析

圖3 裂紋處解剖圖

對斷裂試樣進(jìn)行解剖觀察，可見位于表面以下5mm處，宏觀形貌為4mm長的細(xì)線狀物。將裂紋起源處在掃描電子顯微鏡下觀察，如圖3，裂紋源在D處，放大后觀察發(fā)現(xiàn)，細(xì)小顆粒狀的夾雜帶，顆粒大小在幾微米到十幾微米之間，夾雜物帶寬度約為100μm，對夾雜物顆粒進(jìn)行能譜分析，夾雜物顆粒主要為Al-Ca-Mg-O型夾雜物。

圖4 裂紋源區(qū)SEM分析

3 失效原因分析及預(yù)防措施

根通過上述分析，該試樣鋼滲碳后的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，試樣開裂是由于試樣內(nèi)部存在Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物，在滲碳淬火時(shí)，較大的滲碳畸變使得材料應(yīng)力較大，應(yīng)力在夾雜處釋放，導(dǎo)致試樣開裂。該類型夾雜物主要為澆注水口結(jié)瘤產(chǎn)物，非鋼水內(nèi)生夾雜物，煉鋼過程很難避免類似夾雜物存在，但數(shù)量極少，不影響材料的批量生產(chǎn)及應(yīng)用。失效試樣存在的Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物可以通過超聲波探傷發(fā)現(xiàn)，在后續(xù)生產(chǎn)中，可以通過嚴(yán)格探傷來規(guī)避此項(xiàng)缺陷。

4 小結(jié)

（1）失效試樣各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到較好水平，疲勞斷口發(fā)現(xiàn)的Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物非鋼水內(nèi)生夾雜物，煉鋼過程很難避免，但數(shù)量極少，不影響材料的批量生產(chǎn)及應(yīng)用。

（2）失效試樣存在的Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物可以通過超聲波探傷發(fā)現(xiàn)，在后續(xù)生產(chǎn)中，可以通過嚴(yán)格探傷來規(guī)避此項(xiàng)缺陷。