(江蘇金源高端裝備股份有限公司, 常州 213376)

18CrNiMo7-6鋼齒輪軸開裂失效分析

吳佳峻

(江蘇金源高端裝備股份有限公司, 常州 213376)

某18CrNiMo7-6鋼齒輪軸在機(jī)械加工結(jié)束后，在庫(kù)存期間發(fā)生了軸向開裂。利用宏觀分析、化學(xué)成分分析、滲碳層深度測(cè)定、掃描電鏡觀察、能譜分析等方法，對(duì)齒輪軸的開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：齒輪軸原材料冶煉過(guò)程不當(dāng)，混入了小顆粒狀氧化鋁類夾渣；在隨后的鍛打拉拔過(guò)程中小顆粒形成條帶狀，破壞了材料的連續(xù)性，形成應(yīng)力集中；在較大的殘余應(yīng)力作用下，齒輪軸發(fā)生了延遲性開裂。

18CrNiMo7-6鋼； 齒輪軸； 氧化鋁夾渣； 夾雜物條帶； 應(yīng)力集中； 開裂

某齒輪軸為風(fēng)能傳動(dòng)結(jié)構(gòu)零件，材料為18CrNiMo7-6鋼，外形齒尺寸為φ280 mm(光桿部位)×850 mm(長(zhǎng)度)，齒部和軸表面采取滲碳處理。齒輪軸加工工序?yàn)椋哄懺臁周嚒絺鷿L齒→滲碳→淬、回火→噴丸→精車→精磨。滲碳后齒輪軸的有效硬化層深度要求為3.90～4.90 mm，淬火后滲碳層表面硬度要求為58.0～62.0 HRC。在熱處理后噴丸或加工后，在庫(kù)存期間發(fā)現(xiàn)齒輪軸出現(xiàn)裂紋，裂紋形態(tài)基本相同，呈軸向延伸，貫穿了齒輪軸整個(gè)長(zhǎng)度，如圖1所示。為了確定該齒輪軸開裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)和分析，以避免類似失效事件的再發(fā)生。

圖1 開裂齒輪軸的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked gear shaft:a) the overall morphology; b) the crack morphology

1 理化檢驗(yàn)

1.1宏觀分析

肉眼觀察該開裂齒輪軸，其宏觀形貌如圖1所示?？梢?jiàn)其表面存在部分銀亮的機(jī)械加工表面，絕大部分表面呈光滑的銀灰色。表面可見(jiàn)一軸向裂紋，基本貫穿了整個(gè)零件長(zhǎng)度，靠近尾部的裂紋相對(duì)較窄，靠齒輪端的裂紋比較明顯，端面未觀察到裂紋，存在錯(cuò)位現(xiàn)象，表面存在一處較直的區(qū)域，裂紋相對(duì)較寬，為裂紋源區(qū)。

沿裂紋將齒輪軸人工打開，可見(jiàn)斷面上存在明顯的放射狀條紋，為裂紋快速擴(kuò)展特征，放射狀條紋的收斂區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)，位于齒輪軸的次表面，見(jiàn)圖2a)中的標(biāo)識(shí)區(qū)域。該區(qū)域?qū)?yīng)于圖1中相對(duì)較寬、較直的裂紋區(qū)域，除該區(qū)域外，斷面在其他表面處均存在明顯的剪切特征。

在體視顯微鏡下觀察齒輪軸斷面，可見(jiàn)裂紋源區(qū)存在一個(gè)呈軸向分布的條帶狀區(qū)域，如圖2b)中箭頭所示。經(jīng)測(cè)量該區(qū)域與切割面的距離為3.27 mm，與軸表面的距離為25.58 mm。

圖2 齒輪軸開裂面的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the cracked surface of the gear shaft:a) the cracked surface; b) the band of the crack source area

1.2化學(xué)成分分析

從齒輪軸上靠近斷裂位置取樣，對(duì)基體進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。由結(jié)果可見(jiàn)，齒輪軸基體的各元素含量均符合DIN EN 10084:2008《滲碳鋼——交貨技術(shù)條件》對(duì)18CrNiMo7-6鋼成分的技術(shù)要求。

表1 齒輪軸化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the gear shaft (mass fraction) %

1.3滲碳層深度測(cè)定

選取靠近齒輪軸裂紋源區(qū)域的試樣，在其橫截面上進(jìn)行顯微硬度梯度檢測(cè)。按照GB/T 9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》測(cè)得，齒輪軸表面硬化層深度為4.70 mm，滿足“滲碳后的硬化層深度為3.9～4.9 mm”的技術(shù)要求。距離齒輪軸表面0.10 mm處的硬度為58.7～59.6 HRC，滿足“淬火后滲碳層表面硬度為58.0～62.0 HRC”的技術(shù)要求。

1.4掃描電鏡觀察

使用掃描電鏡對(duì)齒輪軸裂紋源區(qū)觀察到的帶狀區(qū)域進(jìn)行觀察，如圖3所示?？梢?jiàn)該帶狀區(qū)域存在大量顆粒狀物質(zhì)，經(jīng)測(cè)量其寬度為0.16～0.17 mm，見(jiàn)圖3a)，高倍下顆粒狀物質(zhì)形貌見(jiàn)圖3b)?？拷鼛顓^(qū)域的斷口形貌為準(zhǔn)解理+沿晶，見(jiàn)圖3c)，存在少量二次裂紋；遠(yuǎn)離帶狀區(qū)域的斷口形貌為準(zhǔn)解理，見(jiàn)圖3d)。

1.5能譜分析

采用EDAX能譜儀對(duì)齒輪軸帶狀區(qū)域的顆粒狀物質(zhì)進(jìn)行元素的無(wú)標(biāo)樣定性和半定量能譜分析，分析顆粒見(jiàn)圖3b)，分析結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)其主要元素為鋁和氧，因此該顆粒狀物質(zhì)為氧化鋁類物質(zhì)。

1.6金相檢驗(yàn)

從靠近齒輪軸裂紋源區(qū)域切取軸向試樣, 經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡下觀察，按照GB/T 10561-2005中的實(shí)際檢驗(yàn)A法進(jìn)行評(píng)定，其非金屬夾雜物含量評(píng)定結(jié)果為：A0.5， B0，C0，D1.0?？拷鸭y源區(qū)域的表面硬化層剖面拋光態(tài)顯微形貌見(jiàn)圖5a)，可見(jiàn)靠近齒輪軸表面的滲碳層開裂面比較平整，未見(jiàn)明顯增、脫碳或其他異常現(xiàn)象，可以判斷該裂紋出現(xiàn)在滲碳淬火之后。遠(yuǎn)離表面的基體顯微組織為回火馬氏體，見(jiàn)圖5b)；帶狀區(qū)域剖面的顯微組織為回火馬氏體，見(jiàn)圖5c)，d)，未見(jiàn)其他異常。

圖3 齒輪軸斷口的掃描電鏡形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture surface of the gear shaft: a) morphology of particle substances at low magnification; b) morphology of particle substances at high magnification; c) intergranular and quasi-cleavage morphology; d) quasi-cleavage morphology

圖4 帶狀區(qū)域中顆粒狀物質(zhì)的能譜分析結(jié)果Fig.4 Energy spectrum analysis results of particle substances of the band area:a) particle A in Fig.3b); b) particle B in Fig.3b)

圖5 齒輪軸的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the gear shaft:a) microstructure near the crack source; b) microstructure of the matrix; c) microstructure of the band area at low magnification; d) microstructure of the band area at high magnification

2 分析與討論

通過(guò)以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：開裂齒輪軸的化學(xué)成分、滲碳層深度和表面硬度均符合技術(shù)要求；裂紋源處、斷口處的顯微組織和遠(yuǎn)離斷口的基體顯微組織一致，為回火馬氏體，未見(jiàn)明顯增、脫碳和其他異?，F(xiàn)象。根據(jù)斷口宏觀形貌和掃描電鏡形貌分析可知，裂紋源位于距離表面25.58 mm處，為內(nèi)裂；裂紋源處存在一條長(zhǎng)3.73 mm(未計(jì)算線切割損失和磨拋損失)×寬0.16～0.17 mm的呈軸向密集分布的顆粒狀物質(zhì)，經(jīng)能譜分析可知其為氧化鋁類夾雜物，分析認(rèn)為是材料冶煉過(guò)程中混入了小顆粒氧化鋁類耐火材料，在隨后的鍛打拉拔過(guò)程中形成條帶狀。根據(jù)工廠提供的信息，“齒輪軸粗車后探傷未發(fā)現(xiàn)缺陷，滾齒后探傷同樣未發(fā)現(xiàn)缺陷，最后滾齒加工后交工廠”，“在熱處理噴丸和加工后發(fā)現(xiàn)有6件開裂(精車前發(fā)現(xiàn)2件開裂，精車后發(fā)現(xiàn)3件開裂，另1件在精磨后開裂)，裂紋形態(tài)基本相同”，再結(jié)合該零件的加工制造工序分析，判斷該齒輪軸是在后道熱處理，即滲碳、淬火及回火熱處理后開裂的。開裂面絕大部分區(qū)域的顯微形貌為沿晶+準(zhǔn)解理或準(zhǔn)解理，剪切唇較少，可判斷開裂是在較大應(yīng)力作用下的一次性開裂。

金屬在加熱和冷卻過(guò)程中，表層與心部的加熱及冷卻速率(或時(shí)間)不一致，由于溫差導(dǎo)致膨脹和收縮不均而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。這種應(yīng)力在冷卻時(shí)更加突出，由于冷卻時(shí)金屬表層溫度低于心部的，收縮時(shí)表面體積收縮大于心部的而使心部受拉應(yīng)力；當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行，而使表層受壓、心部受拉；在熱應(yīng)力作用下，最終使工件表層受壓應(yīng)力而心部受拉應(yīng)力。滲碳層一般呈壓應(yīng)力狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力可延續(xù)至滲碳硬化層的過(guò)渡區(qū)，然后逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力[1]。引起該齒輪軸開裂的裂紋源區(qū)距離表面25.58 mm，而滲碳層深度為4.70 mm，顯然裂紋源區(qū)位于距離滲碳硬化層較遠(yuǎn)的基體。有研究表明：400 ℃回火的鋼中仍然存在約50%的殘余應(yīng)力，500 ℃回火后還存在約20%的殘余應(yīng)力，低溫回火通常不能完全去除材料中的殘余應(yīng)力[2]。該齒輪軸滲碳、淬火后為低溫回火(200 ℃)，會(huì)存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。在切削條件較好時(shí)，精車或磨削影響層表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，這也會(huì)加大內(nèi)層的殘余拉應(yīng)力[3]。材料內(nèi)部呈條帶狀軸向分布的夾雜物破壞了材料的連續(xù)性，等同于一條微裂紋，存在較大的應(yīng)力集中，在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力作用下導(dǎo)致開裂。

3 結(jié)論及建議

(1) 該齒輪軸裂紋源區(qū)距離軸表面25.58 mm，為內(nèi)裂，其主要原因是材料內(nèi)部存在聚集呈帶狀分布的顆粒狀?yuàn)A雜物，破壞了材料的連續(xù)性，形成應(yīng)力集中，在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力作用下發(fā)生了延遲性開裂。

(2) 建議對(duì)齒輪軸原材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，杜絕聚集分布的夾渣類缺陷存在。

[1] 陳德華,藤魯湘,李光謹(jǐn).滲碳淬硬層殘余應(yīng)力的分布特征[J].熱處理,2011,26(2):65-71.

[2] 陳再良,呂東顯,付海峰.模具使用壽命與失效分析中一些問(wèn)題的探討[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2009,45(9):553-558.

[3] 馬素媛,徐建輝,賀笑春,等.硬狀態(tài)鋼鐵材料磨削影響層硬化的表征[J].金屬學(xué)報(bào),2003,39(2):168-171.

FailureAnalysisonCrackingofthe18CrNiMo7-6SteelGearShaft

WUJiajun

(Jiangsu Jinyuan High-End Equipment Co., Ltd., Jiangsu 213376, China)

The 18CrNiMo7-6 steel gear shaft cracked along the axial direction during storing after machining processing. The cracking reasons of the gear shaft were analyzed by methods of macroscopic analysis, chemical composition analysis, depth measurement of carburized layer, scanning electron microscopy observation, energy analysis and so on. The results show that: there were some particles of aluminium oxides mixed into the raw material of the gear shaft due to the improper smelting process; the particles were banded during forging and drawing process, which destroyed the continuity of the material and resulted in the stress concentration; under the action of large residual stress, delayed cracking occurred to the gear shaft.

18CrNiMo7-6 steel; gear shaft; aluminium oxide particle slag; inclusion band; stress concentration; cracking

10.11973/lhjy-wl201709013

2017-06-19

吳佳峻(1985-)，男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事金屬材料的失效分析與安全評(píng)估工作，642029692@qq.com

TG115.2

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