專(zhuān)業(yè)，行星齒輪熱處理后開(kāi)裂失效分析
2021-04-09 13:13:10
作者：薄文麗 來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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應(yīng)用于行星齒輪減速機(jī)的38件行星齒輪，其鋼材18Cr2Ni4WA由A公司和B公司兩個(gè)單位供貨。這38件相同材料的行星齒輪經(jīng)同爐熱處理后，發(fā)現(xiàn)A公司供料的8件未見(jiàn)裂紋，而B(niǎo)公司供料的30件均有裂紋。
行星齒輪材質(zhì)為18Cr2Ni4WA鋼，熱處理工藝為：滲碳930℃×1.1%C+930℃×0.85%C+840℃×0.68%C后爐冷至780℃出爐空冷，然后650℃兩次高溫回火，二次加熱840℃×0.68%保溫4h后淬火，油淬（油溫65℃）+深冷處理+回火工藝180℃保溫6h。
出現(xiàn)的問(wèn)題是：由A公司和B公司供應(yīng)相同牌號(hào)的齒輪材料18Cr2Ni4W鋼，在同爐中進(jìn)行正火和高溫回火以及后面相同工藝的滲碳、淬火后，出現(xiàn)了完全不同的結(jié)果——A公司材料的8件未見(jiàn)裂紋，B公司材料的30件均有裂紋。其原因是什么？這是目前我們最關(guān)心的問(wèn)題。
通過(guò)宏觀觀察、微觀觀察、金相檢查、硬度測(cè)試以及能譜分析，我們確定了行星齒輪的開(kāi)裂性質(zhì)，并對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。
結(jié)果表明：行星齒輪開(kāi)裂性質(zhì)為熱處理內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶脆性開(kāi)裂。A公司和B公司材料輪齒心部組織均為馬氏體，B公司材料馬氏體組織較粗大；B公司材料輪齒心部晶粒大小不均，且較A公司材料齒心部晶粒大；B公司材料齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。B公司材料輪齒開(kāi)裂與組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高等因素有關(guān)。
1.試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
（1）宏觀觀察
行星齒輪開(kāi)裂宏觀形貌如圖1、圖2所示。開(kāi)裂位置均位于齒的兩個(gè)端面附近。裂紋熒光檢測(cè)顯示如圖3所示，裂紋靠近齒輪兩端，呈八字形貌。裂紋宏觀形貌如圖4所示：端面上裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到齒面層（見(jiàn)圖4a），心部裂紋的張口最寬；齒面上的裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到端面和齒頂（見(jiàn)圖4b）。
圖1 齒輪全貌、輪齒掉角
圖2 齒輪掉皮、掉角
圖3 熒光檢測(cè)的裂紋
（a）端面上裂紋 （b）齒面上的裂紋
圖4 輪齒端面和齒面上的裂紋
裂紋斷口宏觀形貌如圖5所示，各斷口均呈一定金屬光澤，斷口尺寸較大的輪齒斷口（稱(chēng)之為輪齒斷口1），心部有一區(qū)域可見(jiàn)光亮的金屬刻面（見(jiàn)圖5a），斷口較小的輪齒斷口（稱(chēng)之為輪齒斷口2）心部區(qū)域未見(jiàn)明顯的金屬刻面區(qū)（見(jiàn)圖5b）。
（a）輪齒斷口1 （b）輪齒斷口2
圖5 輪齒斷口1和斷口2的形貌
（2）微觀觀察
將裂紋斷口超聲波清洗后進(jìn)行微觀觀察。輪齒斷口1的微觀形貌如圖6和圖7所示，裂紋斷口心部形貌具有沿晶斷裂特征。斷口心部金屬刻面區(qū)微觀形貌呈沿晶斷裂特征，且晶粒較粗大，靠近心部區(qū)域呈沿晶+準(zhǔn)解理特征，且隨著向邊緣靠近，準(zhǔn)解理特征所占比重逐漸增加，滲碳層呈準(zhǔn)解理特征。
（a）16× （b） 200×
圖6 輪齒斷口1的微觀形貌
（a）500× （b）500×
圖7 輪齒斷口1滲碳層微觀形貌
輪齒斷口2的斷口微觀形貌與輪齒斷口1相似，斷口心部很小的區(qū)域呈沿晶斷裂特征，且晶粒較粗大，心部其他區(qū)域呈沿晶+準(zhǔn)解理特征，滲碳層呈準(zhǔn)解理特征。
人工打斷B公司和A公司材料的輪齒，斷口均呈等軸韌窩特征，如圖8、圖9所示。
圖8 B公司料斷口（500×）
圖9 A公司料斷口（500×）
對(duì)輪齒斷口1的裂紋斷口進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示。裂紋斷口未見(jiàn)明顯異常元素。
表1 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
（3）金相檢查
金相檢查取樣：分別在B公司和A公司材料齒輪上從齒頂中心位置截取徑向截面試樣，磨、拋、腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。B公司和A公司材料輪齒的心部組織均為馬氏體（見(jiàn)圖10、圖11），前者組織較粗大。
圖10 B公司材料的心部組織
圖11 A公司材料的心部組織
A公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物呈網(wǎng)狀分布（見(jiàn)圖12），B公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物網(wǎng)狀分布不明顯（見(jiàn)圖13）。
圖12 A公司材料滲碳層金相組織
圖13 B公司材料滲碳層金相組織
輪齒斷口1的裂紋斷口沿晶開(kāi)裂區(qū)附近為馬氏體組織，如圖14所示。B公司材料和A公司材料輪齒心部晶粒形貌如圖15和圖16所示。B公司材料輪齒心部晶粒大小不均勻，且晶粒明顯較A公司材料輪齒心部晶粒粗大。
圖14 斷口沿晶開(kāi)裂區(qū)附近金相組織
圖15 B公司材料齒心部晶粒形貌
圖16 A公司材料齒心部晶粒形貌
（4）硬度測(cè)量 分別從A公司材料和B公司材料齒輪上截取垂直于齒輪軸向的橫截面試樣，磨、拋后對(duì)齒心部進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。B公司材料輪齒心部顯微硬度平均值約為465.76HV，高于A公司材料齒心部顯微硬度（427.90HV）。B公司材料輪齒心部顯微硬度轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為46.5HRC，A公司材料齒心部顯微硬度轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為44HRC，技術(shù)要求36～44HRC。
表2 齒輪齒心部顯微硬度測(cè)試結(jié)果 （HV）
采用硬度梯度方法對(duì)滲碳層深度進(jìn)行測(cè)量，滲層深度以550HV處深度為準(zhǔn)，結(jié)果如表3所示。A公司材料齒面滲碳層深度為2.148mm，B公司材料齒面滲碳層深度為2.282mm，均符合2.0～2.4mm的技術(shù)要求。B公司材料齒面滲碳層硬度和深度均大于A公司材料。
表3 齒輪齒面滲層硬度梯度 （HV）
2.分析與討論
（1）宏觀觀察顯示，齒端面上裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到兩側(cè)齒面，齒面上裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到端面和齒頂，橫截面上裂紋心部張口最寬，裂紋斷口均未見(jiàn)明顯擴(kuò)展臺(tái)階。由此可判斷，齒輪從輪齒心部首先開(kāi)裂。
（2）微觀觀察顯示，齒輪裂紋斷口的心部，局部呈現(xiàn)沿晶開(kāi)裂特征，心部其他區(qū)域呈現(xiàn)沿晶+準(zhǔn)解理開(kāi)裂特征。由此可判斷行星齒輪開(kāi)裂性質(zhì)為沿晶脆性開(kāi)裂。
（3）裂紋從心部開(kāi)裂，裂紋斷口心部呈沿晶特征，以及沿晶+準(zhǔn)解理特征，而輪齒心部人工打開(kāi)斷口呈現(xiàn)韌窩特征。由此可判斷，裂紋在高溫內(nèi)應(yīng)力作用下形成。裂紋斷口均呈一定的金屬光澤，未見(jiàn)明顯氧化。
（4）淬火過(guò)程中，滲碳層和基體由于溫差和組織的差異，變形不一致而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。熱處理產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力都比較復(fù)雜。輪齒開(kāi)裂的部位，均位于輪齒端面附近4個(gè)滲碳層交匯的基體及過(guò)渡層處，此區(qū)域正好具有較高的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)合熱處理工藝可判斷，裂紋很有可能產(chǎn)生于第二次滲碳后的油淬工藝過(guò)程中。
（5）金相檢查顯示，B公司材料和A公司材料齒心部組織均為馬氏體。與A公司材料相比，B公司材料馬氏體組織較粗大，輪齒心部晶粒大小不均。
（6）硬度測(cè)試顯示，B公司材料輪齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高，均會(huì)促進(jìn)淬火過(guò)程中裂紋的萌生。
（7）A公司材料和B公司材料齒輪，經(jīng)過(guò)同爐和相同的熱處理工藝過(guò)程，但出現(xiàn)完全不同的結(jié)果：A公司材料齒輪完好，而B(niǎo)公司材料掉皮、掉角。由此可判斷，B公司和A公司的原材料應(yīng)該存在一定差異。
3.結(jié)語(yǔ)與建議
綜上所述，可得到以下結(jié)論：
（1）根據(jù)斷口的宏觀觀察和微觀觀察結(jié)果得知，行星齒輪開(kāi)裂性質(zhì)為熱處理內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶脆性開(kāi)裂。
（2）B公司材料馬氏體組織較粗大，心部晶粒大小不均，且較A公司材料晶粒大，輪齒的心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。由此可以判斷，B公司材料輪齒開(kāi)裂與馬氏體組織粗大、晶粒大且大小不均勻、以及硬度較高等因素有關(guān)。
（3）行星齒輪材質(zhì)為高強(qiáng)度中合金滲碳鋼18Cr2Ni4WA。這是一種強(qiáng)度高，韌性、淬透性良好，缺口敏感性低的制造齒輪的高檔材料，但是工藝性能較差，它對(duì)原材料的化學(xué)成分、晶粒度等的一致性要求較高，否則就會(huì)影響熱處理工藝的合理安排。
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標(biāo)簽： 行星齒輪, 18Cr2Ni4WA, 同爐熱處理
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