4340鋼齒輪斷齒原因

陳 亮, 徐浩杰, 劉 麗, 姚 良

(蘇州邁拓金屬檢測(cè)服務(wù)有限公司, 蘇州 215126)

某壓縮機(jī)用從動(dòng)齒輪在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行4 h后發(fā)生斷齒，該齒輪的整體宏觀形貌如圖1所示。該斷齒齒輪材料為4340鋼，工藝流程主要為：鍛造→熱處理→插齒→滲氮處理→磨齒等；其中熱處理工藝為815 ℃淬火4 h+565 ℃回火10 h，滲氮工藝為537 ℃,20 h,氨分解率至15%～35%(體積分?jǐn)?shù),下同)時(shí)氮化和537 ℃,20 h,氨分解率至65%～85%時(shí)氮化。為查明齒輪斷齒的原因，筆者對(duì)該齒輪進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

圖1 斷齒齒輪的整體宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

從圖2所示斷齒的宏觀形貌可以看出，齒輪有4個(gè)斷齒，斷口形狀基本一致,斷齒與其他位置發(fā)生碰撞而出現(xiàn)不同程度的損傷。

圖2 斷齒宏觀形貌

觀察斷齒附近區(qū)域，發(fā)現(xiàn)斷齒上方齒側(cè)有裂紋的齒多達(dá)11個(gè)，裂紋起源于齒輪端面，由下至上沿齒長(zhǎng)度方向擴(kuò)展，每個(gè)齒側(cè)的裂紋分布均為從齒底逐漸延伸至齒尖，裂紋長(zhǎng)度逐漸變短直至消失；斷齒下方也發(fā)現(xiàn)有2個(gè)齒在齒側(cè)處存在裂紋(見圖3)。

圖3 斷齒附近裂紋宏觀形貌

沿圖2中虛線框位置切割試樣,用于觀察齒輪端面的形貌；取下3塊試樣，分別編號(hào)為試樣1、試樣2和試樣3[見圖4a)]。試樣1和試樣2分別取自斷齒和開裂齒位置，試樣3取自無(wú)斷齒或開裂齒的位置；在斷齒左右兩側(cè)的齒輪端面上均發(fā)現(xiàn)裂紋[見圖4b)]，故對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以便展現(xiàn)齒輪端面清晰的裂紋形貌。

圖4 齒輪試樣端面形貌及其編號(hào)

1.2 滲透檢測(cè)

對(duì)試樣2和試樣3進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)試樣2軸頸上有明顯裂紋，而試樣2的齒面并未發(fā)現(xiàn)裂紋；在試樣3的端面和齒面均未發(fā)現(xiàn)裂紋(見圖5)。

1.3 低倍檢驗(yàn)

對(duì)試樣1和試樣2的端面進(jìn)行腐蝕，可以清晰地觀察到試樣1和試樣2的端面上有一條周向裂紋，并且正好與斷齒斷口面及其他齒側(cè)的裂紋重合；在周向裂紋的右側(cè)尾部附近，試樣2軸頸上的裂紋也延伸到端面(見圖6)。

1.4 磨削燒傷檢測(cè)

考慮到對(duì)齒輪氮化處理后進(jìn)行過(guò)表面磨削加工，可能會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋，因此選擇試樣1和試樣3的部分區(qū)域進(jìn)行磨削燒傷檢測(cè)，在其齒面上均未發(fā)現(xiàn)明顯回火特征，說(shuō)明裂紋產(chǎn)生與磨削加工無(wú)關(guān)(見圖7)。

圖7 試樣1和試樣3部分區(qū)域磨削燒傷檢測(cè)后宏觀形貌

1.5 金相檢驗(yàn)

沿圖6的虛線切割，垂直于周向裂紋制備金相試樣。裂紋開口處及尾部微觀形貌如圖8,9所示,從圖8,9可以看出：試樣拋光后發(fā)現(xiàn)裂紋纖細(xì)，裂紋開口處較寬，尾部尖細(xì)，有斷續(xù)狀的細(xì)小尾巴[1]；腐蝕后在裂紋兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)大量氮化白亮層，未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，故推測(cè)此裂紋發(fā)生在氮化處理之前。結(jié)合齒輪制造工藝流程分析可知，該周向裂紋是在熱處理過(guò)程中形成的淬火應(yīng)力裂紋[1]。齒輪心部顯微組織為回火索氏體，為正常的調(diào)質(zhì)組織，未發(fā)現(xiàn)其他異常組織(見圖10)。

圖8 裂紋開口處微觀形貌

圖9 裂紋尾部微觀形貌

圖10 齒輪心部微觀形貌

1.6 化學(xué)成分分析

在斷齒附近取樣，依據(jù)ASTM E415—17StandardTestMethodforAnalysisofCarbonandLow-alloySteelbySparkAtomicEmissionSpectrometry，使用MAXx LMM14型斯派克火花源原子發(fā)射光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢姅帻X齒輪的化學(xué)成分符合SAE J404-2000ChemicalCompositionsofSAEAlloySteels對(duì)4340鋼的化學(xué)成分技術(shù)要求。

表1 斷齒齒輪的化學(xué)成分 %

1.7 非金屬夾雜物評(píng)定

依據(jù)ASTM E45-18aStandardTestMethodsforDeterminingtheInclusionContentofSteel，分別在斷齒附近取樣，采用DMI3000M型徠卡光學(xué)顯微鏡分析評(píng)定非金屬夾雜物,結(jié)果如表2和圖11所示。

表2 非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果 級(jí)

圖11 斷齒附近非金屬夾雜物微觀形貌

1.8 平均晶粒度評(píng)定

依據(jù)ASTM E112-13StandardTestMethodsforDeterminingAverageGrainSize，在斷齒附近取樣，采用DMI3000M型徠卡光學(xué)顯微鏡分析評(píng)定晶粒度，結(jié)果顯示平均奧氏體晶粒度為9.5級(jí)(見圖12)。

圖12 斷齒附近晶粒微觀形貌

1.9 硬度測(cè)試

依據(jù)ASTM E10-18StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials,使用DIA TESTER 2RC型布洛維硬度計(jì)對(duì)齒輪心部進(jìn)行硬度測(cè)試，心部測(cè)試結(jié)果為301，302,305 HBW，均低于客戶提供的硬度技術(shù)要求(320～360 HB)。

依據(jù)ASTM E18-20StandardTestMethodsforRockwellHardnessofMetallicMaterials，采用FR-3e型數(shù)顯洛式硬度計(jì)進(jìn)行節(jié)圓表面硬度試驗(yàn)，節(jié)圓表面測(cè)試結(jié)果為84.8，84.9,85.3 HR，均符合客戶提供的硬度技術(shù)要求(84～88 HR)。

1.10 滲氮層深度測(cè)定

依據(jù)GB/T 11354—2005 《鋼鐵零件 滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》，采用402MVA型顯微硬度計(jì)進(jìn)行滲氮層深度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3所示，由測(cè)試結(jié)果可知,滲氮層深度為0.48 mm,符合客戶提供的滲氮層深度技術(shù)要求(0.46～0.58 mm)。

表3 滲氮層深度測(cè)試結(jié)果

1.11 掃描電鏡觀察和能譜分析

采用掃描電鏡對(duì)斷齒斷口表面的微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)大部分?jǐn)嗫诰驯谎趸?，但在齒輪端面附近斷口上的部分區(qū)域,可能發(fā)生氧化層脫落，部分形貌疑似為脆性沿晶斷口形貌[見圖13a)]；在最后斷裂區(qū)域無(wú)氧化跡象，斷口形貌為具有河流花樣和舌狀花樣的解理斷口形貌和具有韌窩和撕裂棱的韌性斷口形貌特征的準(zhǔn)解理形貌[見圖13b)]。

圖13 斷齒斷口表面的微觀形貌

對(duì)斷齒斷口覆蓋層進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)覆蓋層含有較高含量的氮元素，說(shuō)明沿?cái)帻X開裂的裂紋兩側(cè)覆蓋層為氮化層，進(jìn)一步證實(shí)此裂紋發(fā)生在氮化處理之前，能譜分析區(qū)域如圖14所示,分析結(jié)果如表4所示。

圖14 斷口表面覆蓋層能譜分析區(qū)域

表4 斷齒斷口覆蓋層能譜分析結(jié)果 %

2 綜合分析

從化學(xué)成分和非金屬夾雜的分析結(jié)果可知，該齒輪的化學(xué)成分符合SAE J404-2000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)4340鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求；且非金屬夾雜物較少，純凈度較高，說(shuō)明原材料成分無(wú)異常，無(wú)明顯冶金缺陷。

從顯微組織、平均晶粒度和硬度測(cè)試結(jié)果可知，齒輪材料的顯微組織正常，晶粒比較細(xì)小，說(shuō)明熱處理過(guò)程中并未因溫度過(guò)高或處理時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大;齒輪心部硬度低于客戶提供的技術(shù)規(guī)范要求，可能與回火溫度和時(shí)間有關(guān);齒輪表面硬度和滲氮層深度均符合客戶提供的規(guī)范要求，說(shuō)明滲氮處理工藝無(wú)明顯異常。

通過(guò)低倍檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷齒上下兩側(cè)的其他齒面均有裂紋，在齒輪端面也發(fā)現(xiàn)裂紋。齒輪端面的裂紋沿周向分布，與斷齒斷口面及其他齒側(cè)的裂紋相重合。

從金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，齒輪端面上的裂紋和軸頸上的裂紋都具有淬火應(yīng)力裂紋典型特征，且端面裂紋兩側(cè)有明顯的氮化白亮層；通過(guò)掃描電鏡和能譜分析也發(fā)現(xiàn)斷口面氮元素含量較高，進(jìn)一步說(shuō)明了裂紋是在氮化處理前形成的，因淬火處理發(fā)生在氮化處理之前，故可推斷，齒輪端面和軸頸上的裂紋為淬火裂紋。

金屬淬火應(yīng)力裂紋是指零件或工件在淬火冷卻過(guò)程中，由于局部應(yīng)力過(guò)大而引起的淬火裂紋[1]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鋼制零件或工件由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，材料選擇不當(dāng)，存在鍛造缺陷(如表面折疊、表面或次表面偏析、裂紋等)[2]，淬火溫度控制不當(dāng)，淬火冷速不當(dāng)?shù)纫蛩囟伎赡軐?dǎo)致淬火裂紋。

結(jié)合斷齒齒輪裂紋宏觀形貌和金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，裂紋形成在氮化處理之前，為典型的淬火裂紋。

3 結(jié)論

該齒輪斷齒是由于齒輪氮化處理前已存在淬火裂紋，在齒輪運(yùn)行過(guò)程中嚙合受力，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷齒。