摘要： 采用軸與齒輪聯體設計制造經高頻調質熱處理的40CrNi傳動齒輪在服役期間發生了提前失效開裂遙采用金相顯微鏡分析顯微組織袁掃描電鏡觀察斷口袁顯微硬度計測量硬度遙結果表明院齒輪心部顯微組織為塊狀鐵素體+片層珠光體+少量粒狀珠光體遙40CrNi 傳動齒輪提前失效開裂的原因是調質處理加熱溫度低袁冷卻速度慢袁齒輪未淬透曰機加工引起了疲勞裂紋的萌生袁疲勞源是由粗糙機加工引起的應力集中而形成曰熱處理工藝未能使力學性能達到良好的抗沖擊性堯抗疲勞性要求袁最終導致疲勞斷裂。
關鍵詞： 齒輪 斷裂 顯微組織 40CrNi 鋼
數控仿形銑床是某機床制造企業的主導產品袁占有國內大部分市場袁其中有相當部分出口遙近年來袁使用廠家頻繁反饋傳動齒輪斷齒袁影響使用壽命遙該傳動齒輪采用軸與齒輪整體設計制造袁材質40CrNi袁熱處理工藝為整體調質處理袁齒部高頻淬火[1]遙由于數控仿形銑床傳動齒輪在服役期間提前失效袁未到磨損壽命即發生開裂袁因而袁需要對齒輪進行斷裂機理研究袁查明斷裂原因袁提出改進方法以延長其使用壽命。
1 、實驗方法
現場提取斷齒齒輪樣品袁用線切割機切取試樣袁分別制備顯微分析樣品及SEM 分析樣品遙應用布魯克X 射線熒光光譜儀S4Explorer 分析原材料化學成分袁ZEISSAxioVert.Al 金相顯微鏡觀察分析齒輪樣品不同部位的顯微組織袁HV-1000 顯微維氏硬度計淵試驗力0.2kg冤測量齒輪各顯微組織觀察部位的硬度值袁采用捷克TESCAN 公司VEGA 3EasyProbeSEM 對齒輪斷口進行形貌觀察并分析斷裂機理。
2 、實驗結果及分析討論
2.1 原材料化學成分
應用X 射線熒光光譜對40CrNi 調質鋼進行成分分析袁化學成分(質量分數袁%)分析結果是院0.39C堯0.27Si堯0.70 Mn堯0.65Cr堯1.24Ni袁該化學成分符合40CrNi 調質鋼標準要求。
2.2 顯微組織
從現場提取的斷齒齒輪上切取完好齒輪樣品袁鑲樣后的宏觀形貌見圖1袁將齒輪顯微組織觀察分析位置標注于圖1。
圖1 齒輪宏觀形貌
齒頂部邊沿顯微組織見圖2(a)(圖1中1 位置)袁齒頂表面層為高頻淬火層袁顯微組織是隱晶馬氏體遙隱晶馬氏體一般在碳含量不高的區域出現袁是典型的中碳鋼快速加熱高頻淬火后所得到的組織遙該組織厚度0.6mm 左右袁高頻熱處理工藝正確。
齒部中上位置顯微組織見圖2 (b)(圖1 中2 位置)袁顯微組織是院塊狀鐵素體+索氏體+少量片層珠光體。
圖2 齒輪顯微組織(1,2 處)
由齒部中上位置顯微組織分析證明院齒部在前期的調質熱處理工藝中出現了問題遙一是加熱溫度低袁未達到完全奧氏體化加熱溫度袁在兩相區加熱袁未能消除鐵素體袁淬火后組織為鐵素體+馬氏體袁高溫回火時鐵素體不變袁馬氏體轉變為回火索氏體袁最終組織為鐵素體+回火索氏體[2]遙二是淬火速度慢袁齒輪未淬透袁心部仍然是鐵素體+層片珠光體[3]遙齒部中心位置出現塊狀鐵素體+索氏體+少量片層珠光體顯微組織是由上述兩問題同時出現引起的遙齒部中心位置顯微組織見圖3(a)(圖1中3位置)遙顯微組織是院塊狀鐵素體+片層珠光體+少量粒狀珠光體袁鐵素體與珠光體交替分布袁粒狀珠光體比齒部中上位置少袁而片層珠光體則更多遙該組織也是工藝上出現了前述問題的結果袁只是越往齒中心淬火袁組織中為馬氏體的量越少袁所以回火索氏體量就更少。
圖3 齒輪顯微組織(3,4 處)
齒輪軸中心位置顯微組織見圖3 (b)(圖1 中4位置)遙顯微組織是院鐵素體與珠光體交替的均勻分布遙此組織說明袁齒輪軸中心部分淬火未淬透袁可見袁熱處理工藝存在問題。
2.3 硬度
應用HV-1000顯微維氏硬度計(試驗力2N)測量齒輪各顯微觀察部位的硬度值袁將測量結果繪制成曲線袁見圖4。
圖4 齒輪硬度分布曲線
齒頂高頻淬火層淵圖4 中1～5 位置點冤平均硬度594HV0.2袁高頻淬火層組織是細晶馬氏體袁硬度值符合馬氏體指標袁工藝正確。
高頻淬火區與基體交界處的過渡層淵圖4 中5～13 位置點冤平均硬度290HV0.2袁硬度保持了均勻過渡。
輪齒心部淵圖4 中18～30 位置點冤平均硬度203HV0.2袁低于40CrNi 鋼調質處理后的硬度[4]遙齒輪心部硬度偏低原因是組織中存在塊狀鐵素體袁熱處理工藝不正確袁沒有獲得40CrNi 鋼調質處理后應該具有的回火索氏體遙由鐵素體與珠光體交替分布的中碳鋼組織與調質處理的回火索氏體組織比較袁強度堯硬度低袁塑形堯韌性差袁尤其抗沖擊韌性更低遙可見袁組織未達到要求袁齒輪心部強度低堯抗沖擊韌性差是斷齒原因之一。
2.4 斷口分析
2.4.1 斷齒宏觀形貌
齒輪斷齒宏觀形貌及斷齒編號見圖5袁圖5 中C1 為第一斷裂齒袁C2 為第二斷裂齒袁C3 為第三斷裂齒遙由圖5 可看到斷齒均斷裂于齒根遙由圖5中斷齒的斷口宏觀形貌可見院斷齒C1 的宏觀斷口較粗糙袁屬韌性斷裂曰斷齒C2 的宏觀斷口較光滑袁符合脆性斷裂的宏觀特點袁屬于脆性斷裂。
圖5 斷齒宏觀形貌
2.4.2 斷裂分析
現場提取的斷齒樣品分別切割成用于SEM 斷口觀察分析的試樣C1堯C2堯C3(C1堯C2堯C3 取樣位置見圖5)袁用丙酮堯酒精和超聲清洗袁再應用掃描電鏡進行斷口形貌觀察分析。
圖6 為第一個斷齒淵圖5 中C1 齒冤斷口形貌圖遙圖6(a)可看見明顯的疲勞斷裂擴展痕跡-疲勞貝紋線袁由此判定為疲勞開裂遙由圖6(b)可看見疲勞源袁疲勞裂紋在此產生并開始擴展遙從斷口形貌還可見到粗糙的機械加工痕跡袁齒輪構件在服役過程中袁在粗糙的機械加工位置形成了應力集中袁在變動載荷作用下導致裂紋萌生袁疲勞源由此部位形成袁由
于變動載荷的作用促使疲勞裂紋逐漸擴展袁最終導致疲勞斷裂遙該疲勞失效是齒輪在變動載荷和應變的長期作用下袁累積損傷而引起的斷裂或破壞現象袁屬于復合疲勞。
圖6 圖5 中C1 齒試樣的斷口SEM形貌
圖7淵a冤為第二個斷齒淵圖5 中C2 齒冤的斷口形貌圖遙圖中可見解理平面堯解理臺階及河流花樣等脆性斷口微觀特征袁斷口屬脆性解理斷裂遙解理斷裂是沿特定界面發生的脆性穿晶斷裂袁其微觀特征是有平坦的鏡面袁斷口是由許多大致相當于晶粒大小的解理面集合而成袁這種大致以晶粒大小為單位的解理面稱為解理刻面遙解理裂紋擴展過程中袁在解理刻面內部只從一個解理面發生解理破壞現象是很少見的袁多數情況下袁裂紋要跨越若干相互平行而且位于不同高度的解理面遙從而在同一刻面內部出現解理臺階袁眾多的臺階相互匯合即形成河流花樣袁河流花樣的流向就是裂紋的擴展方向袁是典型脆性斷裂的微觀形貌特征。
圖7 (C2,C3)斷口SEM形貌
第二個斷齒表現出脆性斷裂的典型特征袁說明第二個斷齒是在超負荷應力作用下發生的斷裂遙由斷齒位置分析判斷袁齒輪在服役過程中袁第一個齒淵圖5 中C1 齒冤由于疲勞斷裂袁導致緊接斷齒的第二個齒淵圖5 中C2 齒冤不能平滑有效配合袁受到沖齒力的作用袁發生脆性斷裂[5]。
7淵b冤為第三個斷齒淵圖5 中C3 齒冤的斷口形貌圖遙可看到解理平面袁并且整個斷口面均為解理斷面遙解理面同樣分布眾多的河流花樣遙大量的解理平面和河流花樣說明第三個斷齒也是受到沖擊力的影響袁發生了脆性斷裂。
綜上袁不正確的熱處理工藝使齒輪沒有獲得預先設計的表層隱晶馬氏體堯心部回火索氏體的組織袁齒輪力學性能未達到良好的抗沖擊性堯抗疲勞性的要求袁同時粗糙的機加工引起了疲勞裂紋的萌生袁材料性能降低袁最終導致疲勞斷裂。
2.5 改進方法
一是調質處理時袁減少淬火加熱裝爐量袁制作淬火加熱夾具以保障加熱的均勻性袁控制好加熱溫度與保溫時間袁確保整體齒輪完全淬火成為馬氏體曰二是提高齒輪機械加工精度袁增加表面精磨工序遙采用上述改進方案袁通過半年生產應用后袁經檢查袁齒輪表層為細晶粒馬氏體袁心部為回火索氏體袁強度及抗沖擊性能完全滿足服役要求。
3、 結論
(1) 輪齒表層組織為隱晶馬氏體袁厚度大約0.6mm袁高頻熱處理工藝正確遙齒部中心顯微組織為塊狀鐵素體+片層珠光體+少量粒狀珠光體袁鐵素體與珠光體交替分布袁組織不合理遙調質熱處理工藝出現了兩個問題院一是加熱溫度低袁未達到完全奧氏體化加熱溫度袁未能消除鐵素體曰二是淬火速度慢袁齒輪未淬透。
(2) 輪齒心部硬度203HV0.2袁硬度偏低遙這是因為組織不合理袁存在塊狀鐵素體袁導致齒輪心部強度低堯抗沖擊韌性差。
(3) 改進方法院減少淬火加熱裝爐量袁制作淬火加熱夾具以保障加熱的均勻性袁控制好加熱溫度與保溫時間袁確保整體齒輪完全淬火成為馬氏體曰提高齒輪機械加工精度袁增加表面精磨工序。
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