齒輪軸表面發(fā)紋產(chǎn)生原因

鞠 芳，張婷婷，羅 婷，趙喜慶

(凌源鋼鐵股份有限公司，凌源 122504)

45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，硬度不高，易切削加工，調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合力學(xué)性能，可用于生產(chǎn)連桿、螺栓、齒輪和軸類(lèi)零件。某廠使用φ180 mm的45鋼生產(chǎn)打印機(jī)傳送齒輪軸，該齒輪軸的生產(chǎn)工藝流程為：下料→粗車(chē)→熱處理(淬火860 ℃×90 min，油淬；回火500 ℃×120 min)→精車(chē)。在精車(chē)時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪軸表面上有多處縱向分布的發(fā)紋。為查找發(fā)紋產(chǎn)生的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類(lèi)似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

缺陷齒輪軸宏觀形貌如圖1所示，在齒輪軸處存在多條肉眼可見(jiàn)的發(fā)紋，沿軸向呈曲折鋸齒狀延伸，長(zhǎng)10～20 mm。

圖1 齒輪軸表面發(fā)紋宏觀形貌Fig.1 Marco morphology of the hair cracks on the surface of the gear shaft

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)缺陷齒輪軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)該齒輪軸的化學(xué)成分滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45鋼的成分要求。

表1 缺陷齒輪軸的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the defective gear shaft (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

在缺陷齒輪軸的發(fā)紋處截取縱向和橫向金相試樣?？v向金相試樣打磨拋光后，可見(jiàn)發(fā)紋附近存在聚集的夾雜物，根據(jù)GB/T 10561—2005《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》，可以確定這種聚集的夾雜物為A類(lèi)硫化物，如圖2 a)所示。橫向金相試樣打磨拋光后，可見(jiàn)發(fā)紋呈閃電狀向內(nèi)延伸，由于進(jìn)行了500 ℃回火處理，裂紋內(nèi)有氧化物產(chǎn)生，如圖2 b)所示。用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕橫向金相試樣，觀察其微觀形貌，可見(jiàn)發(fā)紋兩側(cè)及遠(yuǎn)離發(fā)紋處基體組織無(wú)差異，均為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體+貝氏體，兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象，表明裂紋區(qū)未經(jīng)歷高溫過(guò)程，如圖2 c)所示。

圖2 齒輪軸發(fā)紋處金相試樣浸蝕前后微觀形貌Fig.2 Micro morphology of metallographic samples at the hair cracks of the gear shaft before and after etching:a)the longitudinal metallographic sample before etching;b)the transverse metallographic sample before etching;c)the transverse metallographic sample after etching

1.4 掃描電鏡及能譜分析

沿發(fā)紋開(kāi)裂方向?qū)l(fā)紋打開(kāi)，采用掃描電鏡(SEM)觀察其斷口形貌，在斷口內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量聚集的硫化物夾雜，主要為硫化錳夾雜，如圖3和圖4所示，這與金相檢驗(yàn)的結(jié)果一致。

圖3 斷口SEM形貌及EDS分析結(jié)果Fig.3 The a)SEM morphology and b)EDS analysis results of the fracture

圖4 斷口處面掃描形貌及分析結(jié)果Fig.4 Scanning morphology and analysis results of the fracture:a)scanning morphology;b)analysis results of S element;c)analysis results of Fe element;d)analysis results of Mn element

2 分析與討論

發(fā)紋是鋼材表面及內(nèi)部沿鍛軋方向分布的很細(xì)小的裂紋，是鋼中夾雜、氣孔和疏松等被延伸的結(jié)果[1-3]。該齒輪軸的發(fā)紋呈曲折鋸齒狀，沿發(fā)紋兩側(cè)有嚴(yán)重的夾雜物分布，尾部也可見(jiàn)夾雜物，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象，有研究認(rèn)為這是由非金屬夾雜物引起的淬火裂紋特征[4]。也有研究認(rèn)為裂紋如呈閃電狀開(kāi)裂，裂紋斷裂面上無(wú)氧化顏色，裂紋四周無(wú)脫碳現(xiàn)象，即可判斷該裂紋為淬火裂紋，若是由夾雜物引起，還可見(jiàn)呈偏析狀分布的夾雜物[5]。

鋼中硫化錳夾雜分布不均勻，會(huì)產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。塑性較好而與基體結(jié)合又較弱的硫化物在應(yīng)力作用下就會(huì)較早地導(dǎo)致硫化物與基體間的界面處開(kāi)裂，形成分離裂紋，加之最大應(yīng)力往往集中在夾雜物與鋼基體界面上，少量的應(yīng)變便會(huì)使夾雜物與鋼基體界面形成孔洞[6]。

因此，該齒輪軸的發(fā)紋是由于大量的非金屬夾雜物聚集導(dǎo)致。粗車(chē)工序使鋼中非金屬夾雜物暴露出來(lái)，在后續(xù)熱處理過(guò)程中由于應(yīng)力集中，產(chǎn)生沿夾雜物擴(kuò)展的淬火裂紋，并最終形成可觀察到的裂紋。

3 結(jié)論及建議

該齒輪軸上的發(fā)紋是由硫化物夾雜聚集導(dǎo)致的，熱處理過(guò)程中聚集的硫化物夾雜引起齒輪軸應(yīng)力集中，產(chǎn)生沿夾雜物擴(kuò)展的淬火裂紋，并最終形成發(fā)紋。建議控制鋼中夾雜物的均勻性，避免產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，以減少發(fā)紋的產(chǎn)生。