作者：陳亮，吳剛，譚小明等

單位：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司

18CrNiMo7-6鋼常用來制造大型從動齒輪，滲碳淬火后，齒面具有優良的耐磨性能，心部具有很好的彎曲疲勞強度和抗沖擊性能。某公司生產的大型盤類從動齒輪，加工工藝為：鍛造→粗車→正火→半精車→滾齒→滲碳、高回→減輕孔加工→淬、回火→精車→鉆油孔→磨齒→磁粉探傷→噴丸→清洗；在清洗后發現三件產品內孔環油槽部位出現環狀裂紋，因此對該齒輪油槽的開裂原因進行調查分析。

一、檢測方法

首先對齒輪進行宏觀形貌分析，然后對齒輪油槽開裂部位線切割取樣，清洗后，置入掃描電鏡中進行顯微形貌分析和能譜分析；然后在齒輪內孔油槽處和壁厚中心取樣，在電感耦合等離子體發射光譜儀上進行化學成分分析。最后在裂紋源部位切取樣品，經打磨、拋光等金相制樣后，用顯微硬度計對滲層進行硬化層深度檢測，在金相顯微鏡上檢查其金相組織、非金屬夾雜物等。

二、試樣檢測

1.宏觀形貌檢查

該從動齒輪斷口宏觀形貌如圖1所示，由圖可知：

（1）開裂發生于環油槽處，且分布于整個油槽環向。

（2）整個斷口呈一次性斷裂特征，斷面無氧化、腐蝕跡象。

（3）根據裂紋收斂方向可知：斷面上近內孔側油槽兩側淺表層存在兩處裂紋源（見圖1b中紅色箭頭），并將其分別編號為A、B。

（a）

2.微觀形貌檢查

將A、B裂紋源清洗后放入掃描電鏡觀察其微觀形貌并進行能譜分析，結果顯示：

（1）裂紋源A遠離油孔，位于淺表層1.5mm處，裂紋源處聚集分布著粗顆塊狀MnS夾雜物，裂紋自該處向周圍擴展，如圖2、圖3所示。

（a）

（b）

圖2  裂紋源A微觀形貌

（2）裂紋源B距離油孔約3mm位于淺表層4mm處，該區域同樣聚集分布著大量粗顆粒狀MnS夾雜物，裂紋自該處向周圍擴展，如圖4、圖5所示。

對裂紋源B和其附近的擴展區進行半定量元素能譜分析，結果發現：裂紋源B處S、Mn含量約為附近擴展區的兩倍，其余元素相當，再次證明裂紋源處存在較為嚴重的MnS夾雜物偏聚現象，具體如圖6、表1、圖7、表2所示。

表1   裂紋源B區光譜分析結果

表2  裂紋源B附近擴展區光譜分析結果

3.低倍組織檢查

結合該從動齒輪生產工藝和微觀形貌中MnS的分布形態，對內孔邊緣進行低倍檢查，結果顯示：距離內孔邊緣約15mm范圍內存在明顯的枝晶偏析，說明該處鍛造比不足，見圖8。此外，內孔油槽邊緣無明顯的硬度降，說明內孔油槽邊緣無有效硬化層，見圖9，這跟滲碳淬火時內孔進行防滲相符。

4.金相檢查

解剖1個齒塊進行金相檢查，節圓、齒根的金相組織、滲碳有效硬化層深、表面硬度都符合技術要求，在裂紋源處取樣進行金相檢查，兩裂紋源處金相組織為馬氏體+貝氏體，斷口邊緣未見氧化、脫碳、網狀碳化物等熱處理缺陷，結合齒輪生產工藝可判斷其為淬火裂紋，如圖10所示。值得注意的是，遠離裂紋源處非金屬夾雜物級別為A0.5e、D0.5潔凈度較好。

（a）裂紋源A金相（100×）

（b）裂紋源B金相（100×）

圖  10

5.化學成分檢查

鑒于裂紋源（大顆粒MnS的聚集位置）的分布位置主要集中于內孔油槽邊緣，特對非裂紋源部位的內孔表面和壁厚中心取樣進行化學成分定量分析，結果見表3，四處化學成分相當，各元素含量正常，說明MnS的偏聚現象僅存在于內孔邊緣個別部位，而非整個環向。

表3    齒輪化學成分（質量分數）  （%）

三、內孔油槽開裂原因分析

解剖了3個失效齒輪進行分析，3個解剖分析結果完全一致。從裂紋外觀來看，整個斷口呈一次性斷裂特征，斷面無氧化、脫碳等熱處理現象，說明熱處理前此裂紋不存在；查該批齒輪的滲碳淬火裝爐記錄，發現3個開裂的齒輪分屬于不同的滲碳淬火爐次，且該齒輪的熱處理工藝是成熟工藝，之前使用過該工藝滲碳淬火，未發生內孔開裂現象，從解剖的齒塊檢測結果可以看出，有效硬化層深、金相組織、表面硬度、心部硬度等指標都是合格的，所以可以排除熱處理工藝是開裂的主要原因。

查該產品的鍛造工藝，發現該齒輪在鍛造過程中，由于設備限制的原因，未使用沖孔工序，而是先鍛造出一個淺的盲孔，然后通過車削的方式加工出內孔。這樣做的弊端是造成內孔鍛造比不足，存在枝晶偏析現象（見圖8），未能改善內孔處原材料的組織與性能，因為鋼錠中心部位本身容易產生偏析和夾雜物聚集，未沖孔和擴孔可能造成夾雜物無法被揉開打散，內孔邊緣部位的鍛造比也會比較低，從而造成內孔部位成為一個薄弱部位。在圖2～圖7中可以看出，內孔油槽裂紋源處的MnS夾雜物電鏡形貌呈聚集狀態，且單顆粒的寬度超過30μm以上，這個已經遠超GB/T 10561標準中A類夾雜物的寬度范圍。正是存在大顆粒聚集的硫化物影響了基體的連續性，導致在遠低于材料本身強度的應力條件下出現裂紋。該批3個失效齒輪使用的是同一個母爐號的原材料，該爐原材料在某些位置存在大顆粒MnS夾雜物偏聚，由于未沖孔和擴孔，在鍛造時偏聚在內孔油槽附近的MnS夾雜物未能被有效的去除或打散，同時由于油槽位置結構敏感，容易形成應力集中，使油槽位置成為最弱的“一環”。

齒輪在滲碳淬火過程中，存在熱脹冷縮，首先會產生熱應力；另外，由于表層和心部碳含量有差異，馬氏體轉變溫度點Ms不一樣，發生馬氏體轉變的程度和順序都不一樣，這樣就會產生組織應力。

熱處理產生的多種應力在薄弱處耦合，然后進行應力釋放，首先會出現微裂紋，裂紋會慢慢變大，當裂紋長度大于極限長度時，裂紋將迅速擴展失穩，最終導致齒輪斷裂失效。在本文中，內孔油槽處由于鍛造比不足，存在枝晶偏析，而且存在大顆粒的MnS夾雜物偏聚，導致最后熱處理應力、加工應力等在油槽夾雜物偏聚部位進行釋放，最后擴展形成環形裂紋。

經以上分析可見，齒輪油槽開裂的主要原因集中于：

（1）齒輪內孔邊緣鍛造比不足，存在枝晶偏析，同時內孔油槽附近存在大顆粒MnS夾雜物偏聚現象，使內孔油槽處成為薄弱部位，這是內孔油槽開裂的主要原因。

（2）齒輪滲碳淬火時產生熱應力和組織應力，當兩種應力耦合，會在薄弱部位進行釋放，導致內孔油槽內側出現裂紋。

（3）加工油槽和油孔時會產生加工應力，應力慢慢釋放，使裂紋加速向油槽擴展，導致最后出現環形裂紋。

四、結論和建議

基于以上分析，得到以下結論和建議：

（1）整個開裂斷口呈一次性斷裂特征，斷面無氧化、腐蝕跡象，齒輪油槽淺表層存在兩處裂紋源，裂紋源處存在大顆粒的MnS夾雜物偏聚現象，且齒輪內孔邊緣鍛造比不足，存在枝晶偏析現象。

（2）齒輪滲碳淬火時產生熱應力和組織應力，當兩種應力耦合時，會在內孔油槽薄弱部位進行釋放，導致內孔油槽內側出現裂紋，加工油槽和油孔時會產生加工應力，應力慢慢釋放，使內側裂紋加速向油槽擴展，導致出現環形裂紋。

（3）為避免此項問題的再次發生，建議增加非金屬夾雜物的檢測頻次及對非金屬夾雜物的長度、寬度、數量等進行嚴格控制；同時要求在該系列從動齒輪鍛造時必須沖孔和擴孔，且內孔鍛造比不應小于4。