01背景

     同一批次的兩個(gè)齒輪在滲碳淬火和高溫回火后出現(xiàn)裂紋。因此無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的熱處理(淬火、低溫回火)和機(jī)加工(噴砂、磨削)。沒(méi)有提供額外詳細(xì)的制造相關(guān)信息。

     這兩個(gè)開(kāi)裂齒輪采用20CrMnTi鋼(C：0.17-0.23，Si：0.17-0.37， Mn: 0.80-1.10，P≤0.035，S≤0.035， Cr：1.00-1.30，Ni≤0.30，Cu≤0.30，Ti：0.04-0.10， Fe：余量)制成。

     根據(jù)熱處理規(guī)范，齒輪需滿足以下要求：(a)滲碳層深度大于1.6mm， (b)表層硬度為59-62HRC，(c)芯部硬度為36-44HRC。

02觀察結(jié)果

2.1 目測(cè)

     2個(gè)開(kāi)裂的輪齒在接收時(shí)如圖1所示。目測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋位于溝槽根部，且沿軸向擴(kuò)展。裂紋遍布整個(gè)凹槽，軸向長(zhǎng)度約為146mm。將裂紋打開(kāi)，兩個(gè)開(kāi)裂輪齒的斷口形貌相似，如圖2所示。

圖1 接收狀態(tài)的開(kāi)裂輪齒

    斷口表面呈深棕色，斷口表面有氧化膜存在，表明齒開(kāi)裂后斷口表面經(jīng)歷了高溫氧化過(guò)程。斷口表面未見(jiàn)明顯塑性變形?？拷疾鄣臄嗫诔尸F(xiàn)出相反的人字形裂紋擴(kuò)展標(biāo)志，如圖2中的虛線箭頭所示。這個(gè)紋路指向裂縫的起源。因此，可以確定裂紋起源在距凹槽3.3-3.5mm處，且位于齒中部。通過(guò)對(duì)裂紋擴(kuò)展痕跡的追蹤，可以得出平行于溝槽方向的裂紋擴(kuò)展速率要比垂直于溝槽方向的裂紋擴(kuò)展速率快。兩齒輪的失效性質(zhì)可歸結(jié)為一次性瞬時(shí)開(kāi)裂事件。

圖2 宏觀斷口表面

2.2 SEM觀察

     發(fā)現(xiàn)斷口表面覆蓋著不連續(xù)的氧化層，但通過(guò)掃描電鏡(SEM)可以清楚地看到裂紋源中的點(diǎn)狀特征和放射性裂紋擴(kuò)展痕跡(圖3a和c)。在丙酮溶液中超聲振動(dòng)反復(fù)清洗斷口表面后，在裂紋起源區(qū)域的多個(gè)位置都發(fā)現(xiàn)了含有大量直徑在5~30μm的小顆粒的大型非金屬夾雜團(tuán)(圖3b和d)。根據(jù)顆粒的形態(tài)和目前的位置，可以推斷裂紋源中的顆粒不是來(lái)自于斷口表面的覆蓋層，而是來(lái)自于原材料。從這些夾雜物的類(lèi)型看，通常與鑄錠偏析相關(guān)聯(lián)。能譜X射線(EDX)分析(圖4)表明，顆粒主要為Al2O3復(fù)合冶金夾雜物。

圖3 對(duì)斷口表面SEM觀察：(a,c) 總體觀察；(b, d)顯示裂紋源處的夾雜物團(tuán)。

圖4 齒2裂紋源處夾雜物的EDX頻譜

2.3 冶金檢查

     在裂紋齒靠近裂紋處作截面，進(jìn)行冶金檢查。兩種開(kāi)裂輪齒的齒廓和齒芯的微觀組織表現(xiàn)出相同的冶金特征。滲碳層的代表性照片見(jiàn)圖5a和5b。滲碳層由細(xì)小針狀馬氏體、殘留奧氏體、顆粒狀和不連續(xù)網(wǎng)狀碳化物組成。芯部由低碳板條馬氏體組成(圖5c)。需要指出的是，過(guò)量碳化物的存在，特別是表層中網(wǎng)狀碳化物的存在，可能會(huì)導(dǎo)致滲碳齒的脆裂。然而，斷口形貌研究表明，齒的開(kāi)裂與齒表層中碳化物的存在無(wú)關(guān)。此外，對(duì)失效齒輪材料的化學(xué)成分檢測(cè)表明，這兩個(gè)失效齒輪是由指定的20CrMnTi鋼制造的。測(cè)量了開(kāi)裂輪齒的表面硬度和芯部硬度，但由于對(duì)失效齒輪只進(jìn)行了部分熱處理，無(wú)法與規(guī)定值進(jìn)行比較。

圖5 開(kāi)裂輪齒的顯微組織（齒1）：（a）節(jié)圓處滲碳層；（b）齒槽處的滲碳層；（c）芯部

03失效原因分析

      研究中的兩個(gè)開(kāi)裂輪齒具有相似的冶金和斷口特征。軸向裂紋出現(xiàn)在開(kāi)裂輪齒齒槽處。裂紋萌生于表層與芯部交界處的非金屬夾雜物團(tuán)，而并非起源于表面。

     裂紋源處發(fā)現(xiàn)大量Al2O3復(fù)合夾雜物團(tuán)。在這里，夾雜物和基體之間的膨脹系數(shù)的差異如預(yù)期的那樣大。Al2O3的膨脹系數(shù)為8×10-6/K°，鐵素體和馬氏體的膨脹系數(shù)分別為14.8×10-6/K°和11.5×10-6/K°。由于Al2O3夾雜在淬火-冷卻過(guò)程中體積收縮較小，在基體中Al2O3夾雜周?chē)a(chǎn)生較大的拉應(yīng)力場(chǎng)。滲碳層表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，而次表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。齒的裂紋源恰好位于槽下3.3~3.5mm處(次表面區(qū)域)，即拉應(yīng)力區(qū)域。滲碳淬火過(guò)程中，夾雜物周?chē)w的拉應(yīng)力場(chǎng)會(huì)隨著次表面拉應(yīng)力場(chǎng)的增加而增加。裂紋以?shī)A雜團(tuán)為中心，瞬時(shí)啟動(dòng)，呈放射性擴(kuò)展。因此，兩個(gè)齒輪的裂紋源位于夾雜團(tuán)區(qū)域，呈點(diǎn)狀特征。由于滲碳件次表面拉應(yīng)力的存在屬于正常現(xiàn)象，因此可以認(rèn)為夾雜物團(tuán)簇是導(dǎo)致齒裂的主要因素。

04結(jié)論

     兩個(gè)斷裂輪齒具有相同的斷裂特征。失效齒輪的齒槽處出現(xiàn)了軸向裂紋和貫穿裂紋。

     裂紋萌生于表層/芯部界面處的非金屬夾雜團(tuán)。齒輪的裂紋源呈點(diǎn)狀特征，斷裂方式屬于瞬時(shí)裂紋。證實(shí)了兩齒的裂紋是在滲碳淬火過(guò)程中發(fā)生的。裂紋起源區(qū)存在大量Al2O3復(fù)合夾雜團(tuán)，是導(dǎo)致輪齒開(kāi)裂的主要原因。

     建議提高鋼純度以防止未來(lái)齒輪故障的發(fā)生。由于金相純度測(cè)試總是具有破壞性的，它永遠(yuǎn)不足以檢測(cè)出最大的夾雜物，這是個(gè)概率很低的事情。建議采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行隨機(jī)檢測(cè)。