摘 要:采煤机减速箱用轴齿轮在仓库存放期间发生贯穿性轴向纵裂,采用宏观分析、化学成分 分析、力学性能试验、断口分析以及金相检验等方法,并结合轴齿轮具体加工工艺对轴齿轮开裂原 因进行了分析.结果表明:该轴齿轮裂纹为氢致延迟裂纹,在氢和内应力的共同作用下,在轴齿轮 表层非马氏体组织所在的应力集中部位产生微裂纹,加之后续回火不充分,微裂纹不断扩展,最终 导致轴齿轮纵向开裂. 

关键词:轴齿轮;开裂;非马氏体组织;氢致延迟裂纹 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５４０Ｇ０５

采煤机用渗碳齿轮钢具有良好的淬透性及冲击 韧性,经渗碳淬火热处理后具有高的接触疲劳强度、 疲劳极限、硬度和耐磨性[１].该钢种是一种高级优 质钢,为达到优异的综合性能,热处理过程要求极 严,稍有不慎就会产生各种问题[２].某公司生产的 ?１６０mm 规格１８Cr２Ni２WA 钢轴齿轮主要热处理 工艺为:毛坯粗车 → 正火 → 调 质 处 理 → 滚 齿 → 渗 碳→淬火→深冷处理→低温回火.该轴齿轮在成品 进货检验过程中未见异常,而在仓库放置４个多月 后发生贯穿性轴向延迟性开裂.该型号轴齿轮是采 煤机减速箱关键传动件,使用过程中一旦发生失效, 会对煤矿生产造成严重影响和重大经济损失.为查 找该轴齿轮开裂的原因,笔者采用宏观分析、化学成 分分析、力学性能试验、断口分析以及金相检验等方 法,并结合轴齿轮具体加工工艺对开裂轴齿轮进行 了检验和分析,并提出了改进措施. 

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

轴齿轮裂纹宏观形貌如图１a)所示,裂纹沿纵 向分布,走向平直,齿轮近大齿一侧轴端面裂纹沿直 径贯穿圆截面,另一端裂纹扩展长度不足端面直径 一半,如图１b)所示.将轴齿轮裂纹打开,断口呈现 结晶状断口形貌,裂纹源见图２箭头所指区域,该区 域平整呈扇形,断面接着扇形裂纹源区向外呈放射 状,而后向四周扩展,该扇形区对应图１中箭头所指 的轴承挡台阶与裂纹相交处.观察开裂零件,图１箭头所指轴承挡台阶处有一个宽约３ mm 的退刀 槽,轴径及表面粗糙度均在该处发生突变.观察轴 轮齿断口,可见断口平坦,局部有小凸起,边缘均呈 不同程度放射状,由裂纹宏观形貌以及断口形貌可 判断,该轴齿轮内应力较大.沿轴齿断口平行面取 样,如图３所示,经检测整个截面未见缺陷.

１．２ 化学成分分析 

在失效轴齿轮上取样,采用 ARL３４６０ 直读光 谱 仪分析其化学成分,结果见表１,可见其各元素含量均符合 GB/T３０７７－２０１５对１８Cr２Ni２WA 钢成 分的技术要求.

１．３ 力学性能试验

在开裂轴齿轮花键端近１/２半径处取样,分别 对其进行拉伸试验和冲击试验,结果见表２,可见轴 齿轮的各项力学性能均符合相关企业标准要求.由 冲击试验结果可知,该齿轮的韧性较好.

对轴齿轮齿部进行硬度及有效硬化层深度检 测,齿面及齿顶硬度为 ５９~６１ HRC,心部硬度为 ３６~３９HRC,零件齿部节圆附近有效硬化层深度 为１．６５mm,均符合该轴齿轮图纸技术要求. 

１．４ 断口分析 

在轴齿轮裂纹源处取样进行超声波清洗,采用 HITACHISＧ３４００N 扫 描 电 镜 观 察 其 形 貌,结 果 如 图４所示.可见裂纹源处断裂方式以沿晶为主,在沿 晶面上存在较多发纹,呈典型脆性断裂特征,未见明 显夹杂物;图４b)中局部可见碎块状断口形貌特征, 断裂晶面上出现较明显层片状特征,局部呈现鸡爪纹形貌,上述均为典型的氢致损伤缺陷微观形貌特征. 观察图４c)可发现,断裂面局部区域在断裂过程中形 成较多韧窝,沿晶断裂与撕裂棱上的韧窝共存也是氢 致开裂的特征之一.高倍下观察可见断面存在氧化, 推测可能是试样开裂后存放过程中空气氧化所致.

扩展区断口形貌如图５所示,可见扩展区断裂 方式也是以沿晶断裂为主,未发现明显夹杂物,断口 呈现沿晶、准解理和韧窝的混合断裂形貌,局部区域 存在二次裂纹.图５b)中断裂晶面上氢致延迟裂纹 断口的层片状特征明显.

１．５ 金相检验 

将断口 试 样 垂 直 断 裂 面 制 成 金 相 试 样,采 用 NEOPHOTＧ２１型光学显微镜进行观察,抛光态下 未见异常夹杂物,腐蚀态下断口边缘未见氧化脱碳. 近轴表面裂纹源处观察到微裂纹,如图６所示,裂纹 呈沿晶分布,并与断裂面大体平行,裂纹周边未见脱 碳,亦无夹杂物.

在裂纹源附近从轴齿轮渗碳表面到心部方向取 样,并进行显微组织观察,发现渗碳表面显微组织为隐针马氏体＋残余奥氏体＋黑色网状非马氏体组 织[３],如图７a)所示,渗碳表面未见氧化脱碳.近表 面的显微组织如图７b)所示,为细针状马氏体＋隐 针马氏体＋残余奥氏体＋黑色网状非马氏体组织, 表层非马氏体组织为异常组织,其含量由表层向内 层逐渐减少.图７c)为抛光态未侵蚀表层试样的微 观形貌,可见零件渗碳表面有晶间氧化现象.

轴齿轮心部显微组织如图８a),b)所示,图８a) 处为粗大板条马氏体和贝氏体,图８b)处为贝氏体 和板条马氏体.上述两处显微组织晶粒度差异较 大,说明零件心部显微组织不均匀. 

通过了解轴齿轮热处理工艺,除花键采取防渗 碳措施外,其他部位均进行渗碳处理,笔者对轴端和 齿部从渗碳表面到心部组织都进行了显微组织观 察,发现二者组织状态基本一致.

低倍下检查存在裂纹部位,并取样进行金相检 查,如图９所示.裂纹头部尖细,呈沿晶扩展形貌, 具有显著的应力性裂纹特征,非原材料裂纹.侵蚀后形貌如图９c)所示,裂纹两侧未见氧化脱碳现象, 显微组织为贝氏体和板条马氏体. 

２ 分析与讨论 

由上述理化检验结果可知,失效轴齿轮的化学 成分、力学性能、硬度及有效硬化层深度均符合相关 标准技术要求.试样宏观检查结果表明,零件裂纹 源位于大齿一侧轴承挡根部退刀槽附近.裂纹源区 域平整呈扇形,断面接着扇形裂纹源区呈放射状向 四周扩展,最终发生纵裂贯穿轴齿轮全长.由此以 可判断,该轴齿轮内应力较大.由断口微观形貌分 析可知,裂纹源处断裂方式以沿晶断裂为主,在沿晶 面上存在较多发纹,呈典型脆性断裂特征,未见明显 夹杂物.断口局部可见碎块状断口形貌特征,断裂 晶面上出现较明显的层片状特征,局部呈现鸡爪纹 形貌,上述均为典型的氢致延迟开裂特征.扩展区 断裂方式也是以沿晶断裂为主,未发现明显夹杂物, 断口呈现沿晶、准解理和韧窝的混合断裂形貌,局部 区域存在二次裂纹.由金相检验结果可知,零件渗 碳表层显微组织为隐针状马氏体＋残余奥氏体＋黑 色网状非马氏体组织,非马氏体组织为异常组织,经 对未侵蚀的渗碳表面试样进行观察确认,该异常组织由晶间氧化造成,该组织是合金钢在渗碳气氛中 加热时,表面与气氛中的二氧化碳、氧气、水蒸气相 互作用而产生的.晶间氧化使表层奥氏体中的合金 元素贫化,降低奥氏体稳定性,在后续淬火冷却过程 中奥氏体转变为屈氏体、贝氏体等非马氏体组织. 该类组织基本分布在晶界上,含量由表层向内层逐 渐减少.研究表明[４Ｇ５],晶间氧化层愈深,表面张力 愈大,同时晶间氧化产生的黑色网状非马氏体组织 与其他基体组织存在形变差异.因此在淬火过程产 生的表面拉应力及氢的共同作用下,存在非马氏体 组织显微的晶界处极易产生应力集中,进而导致微 裂纹的产生.

经观察,零件心部显微组织为贝氏体和板条马 氏体,局部有粗大板条马氏体存在,或为加热过程中 晶粒长大导致.结合加工方给出的热处理工艺,轴 齿轮渗碳后在炉内缓冷１h后加热淬火,在该工艺 下易使组织晶粒粗大,还会使大量奥氏体得以遗留, 导致渗碳层残余奥氏体含量增多,同时粗大的组织 易使材料的抗断强度有所降低[６Ｇ７].

通过低倍检查裂纹部位,发现裂纹头部尖细,呈 沿晶扩展形貌,具有显著的应力性裂纹特征,非原材 料裂纹.裂纹两侧未见氧化脱碳现象,裂纹两侧组 织为贝氏体和板条马氏体.

该采煤机减速箱轴齿轮为仓库存放期间在未受 外力情况下,发生的延迟性开裂,该齿轮内应力较 大,裂纹沿齿轮轴纵向分布,横向已穿透轴中心,裂 纹整体平直,呈张开型,具有显著应力性裂纹特征, 裂纹周围未发现明显夹杂物及脱碳;裂纹源区以沿 晶断裂为主,呈现明显氢致延迟性开裂特征.氢致 延迟断裂是由于材料本身、环境条件及应力作用下 而产生的一种断裂现象,应力集中和氢的聚集是高 强度合金钢发生氢致延迟断裂的必要条件[８Ｇ９].目 前,在气体渗碳中还没有不渗氢的渗碳方法,因此渗 碳过程必然伴随有渗氢过程.轴齿轮在热处理应力 作用下,处于材料点阵间隙中的氢原子向存在非马 氏体组织形成的应力集中部位扩散,并聚集在晶界 处,氢的聚集使晶界表面能降低,晶界进一步脆化, 导致微裂纹的产生.产生微裂纹后,降低了裂纹尖 端的氢含量,新的高应力集中区又形成,应力作用使 氢再度扩散聚集至应力集中区,裂纹扩展发生在氢 含量达到临界值时,这一过程持续进行.在氢和应 力交互作用下,形成氢致延迟裂纹.加之后续回火 不充分,未有效消除残余内应力,各种应力在裂纹源处产生集中,并在最有利于释放能量、产生开裂的微 区不断加剧,当应力超过材料抗拉强度时便失稳发 展成为宏观纵向裂纹,随着应力释放裂纹不断扩展, 最终导致轴齿轮开裂. 

３ 结论及建议 

该轴齿轮裂纹为氢致延迟裂纹,在氢和内应力 的共同作用下,在轴齿轮表层非马氏体组织所在的 应力集中部位产生微裂纹,加之后续回火不充分,微 裂纹不断扩展,最终导致轴齿轮纵向开裂.

建议轴齿轮在渗碳装炉前需清理炉内残余物, 检查渗碳炉密封性,并在渗碳初期低温状态时滴入 适量煤油,使炉内处于高碳势,还原炉内的氧化性气 体,有效防止渗碳晶间氧化现象;同时根据齿轮使用 要求,选择最佳渗碳工艺,通过控制通气量和通气时 间,以控制炉内气氛中的氢含量.建议工艺允许的 情况下,将渗碳后热处理工艺改为渗碳后空冷＋高 温回火＋淬火处理,消除零件基体组织晶粒长大现 象.该轴齿轮内应力较大,可能与该零件经深冷处 理后回火不充分有关,在保证轴齿轮性能情况下建 议适当提高回火温度和保温时间,消除内应力,同时 降低材料的氢脆敏感性.

参考文献: 

[１] 潘邻．化学热处理应用技术[M]．北京:机械工业出版 社,２００４． 

[２] 安运铮．热处理工艺学[M]．北京:机械工业出版社, １９８２． 

[３] 王维发,王星,王培科,等．采煤机齿轨轮淬火开裂原 因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(２):１４６Ｇ １４８． 

[４] 陈衍礼．有氧环境下渗碳层缺陷组织及其对性能的 影响[D]．大连:大连海事大学,２００９． 

[５] 王有铭,王海凤,王永杰．１７Cr２Ni２MoA 大齿轮渗碳 中发生内氧化原因和预防[J]．机械工程师,２０１０(４): １２４Ｇ１２５． 

[６] 任玉锁,刘俊英,王振亭．１８Cr２Ni４WA 钢制渗碳齿轮 轴纵裂原因分析[J]．金属热处理,２００３,２８(６):６０Ｇ６２． 

[７] 陈大专,章宇顺,冯爱新,等．１７Cr２Ni２Mo钢制 齿 轮 开裂原因分析[J]．热加工工艺,２０１３,４２(４):２２８Ｇ２３１． 

[８] 宋亚虎,刘铁山,孙胜伟,等．２０CrNi２MoA 齿轮轴锻 件缺陷分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１(３): ２１９Ｇ２２１． 

[９] 牟小维,孙梅红,宁玫,等．氢损伤缺陷分析[J]．天津 冶金,２００７(１):２１Ｇ２２． 

文章来源——材料预测网