40CrNiMo 齒輪表面開裂失效分析

文／李超越，梁國平，潘嘉玉·太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司

本研究通過低倍分析、化學(xué)分析、非金屬夾雜物檢測、顯微組織分析和顯微硬度檢測等方法，對40CrNiMo 齒輪表面開裂進(jìn)行了研究與分析。結(jié)果表明，齒輪表面開裂的主要原因是磨削工藝操作不當(dāng)所致，同時(shí)，齒輪存在嚴(yán)重的枝晶偏析，造成內(nèi)應(yīng)力不均勻，對磨削開裂有促進(jìn)作用。

材質(zhì)為40CrNiMo 的齒輪產(chǎn)品經(jīng)鍛造→調(diào)質(zhì)→機(jī)加工(開坯)→中頻淬火→回火→磨齒等主要生產(chǎn)工序后，進(jìn)行磁粉探傷發(fā)現(xiàn)多條小裂紋。

現(xiàn)場觀察

圖1 為齒輪表面開裂宏觀照片。圖1(a)和1(b)裂紋肉眼不可見，現(xiàn)場再次通過磁粉探傷觀察，在多個(gè)輪齒齒面可見裂紋，裂紋特別細(xì)小，長約5 ～20mm不等，齒面磨削表面粗糙度較差，機(jī)加工紋路明顯。

試驗(yàn)分析

低倍試驗(yàn)分析

根據(jù)GB/T 226-2015 對開裂齒輪截面進(jìn)行熱酸浸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，齒輪鍛件枝晶偏析嚴(yán)重，均勻性差。齒輪截面低倍照片見圖2。

表1 截面熱酸浸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 齒輪截面低倍照片

化學(xué)成分試驗(yàn)分析

對表面開裂齒輪進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表2所示，齒輪成分符合40CrNiMo 鋼材質(zhì)的技術(shù)要求。

表2 40CrNiMo 的化學(xué)成分(wt%)

非金屬夾雜物檢測

在開裂齒輪上取高倍試樣進(jìn)行非金屬夾雜物的檢測，根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》評定各類非金屬夾雜物級別，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，各類非金屬夾雜物含量的評級均滿足技術(shù)要求。

表3 非金屬夾雜物檢測結(jié)果

金相分析

在開裂齒輪表淬層、過渡層和心部，分別切取金相試樣進(jìn)行晶粒度和顯微組織的檢測判定，結(jié)果如表4 所示。在齒輪表淬層晶粒度為10.0 級，顯微組織為微細(xì)馬氏體；在過渡層晶粒度為9.0 級，顯微組織為微細(xì)馬氏體+少量極細(xì)珠光體+少量鐵素體；齒輪心部晶粒度為7.0 級，顯微組織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體。試驗(yàn)結(jié)果表明，齒輪鍛件純凈度合格，晶粒度合格，表淬組織狀態(tài)正常，均在合格級別范圍內(nèi)。齒輪不同位置顯微照片見圖3，圖3(a)為齒輪邊緣組織，圖3(b)為齒輪過渡層組織，圖3(c)為齒輪心部組織。

表4 金相組織、晶粒度檢測結(jié)果

圖3 齒輪不同位置顯微照片

顯微硬度

通過顯微硬度法測定齒輪硬化層的深度，齒輪表層顯微硬度變化曲線如圖4 所示，從圖4 中可以看出從齒輪表面向心部5.6mm 的硬度值約穩(wěn)定在545HV，隨后硬度值開始迅速下降，最后在距離齒輪表面約8.7mm 處的硬度值開始穩(wěn)定在260HV，有效硬化層深度為7.411mm。

圖4 齒輪硬化層硬度

裂紋分析

裂紋微觀形態(tài)呈現(xiàn)垂直由外而內(nèi)開裂，裂紋尖端明顯可見沿晶界擴(kuò)展，裂紋深度約為0.5mm，完全位于脆硬層內(nèi)，裂紋旁組織為細(xì)微馬氏體，無脫碳現(xiàn)象，晶粒度10 級。齒輪裂紋顯微照片見圖5，圖5(a)為整條裂紋照片，圖5(b)為裂紋尖端照片。齒輪裂紋處顯微組織見圖6，圖6(a)～圖6(c)為裂紋周圍顯微組織。試驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋符合磨削裂紋形態(tài)。

圖5 齒輪裂紋顯微照片

圖6 齒輪裂紋處顯微組織

討論與分析

齒輪化學(xué)成分符合40CrNiMo 材質(zhì)要求，鍛件純凈度、致密性合格，但存在嚴(yán)重的枝晶偏析，均勻性較差。嚴(yán)重的枝晶偏析系鋼錠偏析嚴(yán)重，鍛造過程中又未充分改善所致。嚴(yán)重的枝晶偏析可造成鋼中微區(qū)成分的偏析和不均勻。

齒輪采用中頻淬火，表淬組織為6 級，微細(xì)馬氏體，晶粒度10.0 級，屬于合格級別；表明表淬工藝合理，未發(fā)生過熱現(xiàn)象。

齒輪表面裂紋特別細(xì)小，肉眼宏觀不可見，磁粉探傷才可辨別。微觀形態(tài)垂直表面，由外而內(nèi)沿晶界擴(kuò)展，裂紋旁組織為微細(xì)馬氏體，無脫碳現(xiàn)象，均表明裂紋系典型磨削裂紋。磨削裂紋是磨削拉應(yīng)力超過材料斷裂強(qiáng)度所致。磨削拉應(yīng)力包括磨削加工應(yīng)力和工件內(nèi)應(yīng)力，其中磨削加工應(yīng)力與磨削進(jìn)給量、砂輪銳利程度、冷卻液狀況、磨削角度有關(guān)。輪齒宏觀齒面明顯可見粗糙紋路，表明磨削量偏大或砂輪銳利程度不足，加之齒輪鍛件本身嚴(yán)重的枝晶偏析，造成表淬后內(nèi)應(yīng)力分布不均勻，對磨削開裂又有一定促進(jìn)作用。在磨削過程中一旦應(yīng)力超過材料斷裂強(qiáng)度，即引起磨削開裂。

結(jié)論

齒輪化學(xué)成分符合技術(shù)要求，齒輪鍛件純凈度、致密性合格，但存在嚴(yán)重的枝晶偏析，均勻較差。齒輪鍛件表淬層組織正常，表面中頻淬火工藝合理。齒輪表面裂紋系典型磨削裂紋，磨削裂紋形成主要原因系磨削工藝不當(dāng)，同時(shí)，鍛件存在嚴(yán)重的枝晶偏析造成內(nèi)應(yīng)力不均勻，對磨削開裂有促進(jìn)作用。