某起重機用齒輪軸在使用約10個月后發(fā)生了斷齒，導(dǎo)致設(shè)備損壞，造成了比較嚴(yán)重的安全事故。該齒輪軸圖紙中的技術(shù)要求為：材料為20CrMnTi鋼；花鍵部分(防滲)淬火硬度為40~48HRC；滲碳層厚度為0.8~1.2mm；齒面硬度為58~62HRC，心部硬度為30~45HRC。研究人員采用一系列理化檢驗方法對該齒輪軸斷齒原因進行了分析。
1、理化檢驗
1.1宏觀觀察
斷齒后的齒輪軸宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知，整個齒輪軸齒面共有6個齒發(fā)生斷裂，中間4個齒相鄰，除1個齒保留上半部分齒形外，其他斷裂齒均為整個齒斷裂掉落。齒輪軸的起裂處宏觀形貌如圖2所示，由圖2可知，斷裂齒均是從左向右斷裂，與齒輪的轉(zhuǎn)動受力方向一致，斷裂起始于齒根部分。從斷裂形貌上看，裂紋源有向外發(fā)射性的條紋，斷口上的白亮條紋是斷裂后擠壓磨損的痕跡。
1.2斷口分析
采用掃描電鏡(SEM)對斷口進行分析，斷口裂紋源處的SEM形貌如圖3所示，由圖3可知：裂紋源附近SEM形貌較平滑，這是因為斷口有大量被擠壓的痕跡，尤其在裂紋源附近，但從裂紋源凹陷處可以看出有明顯沿晶斷裂的特征，在斷口中間的擴展區(qū)為解理斷裂，無疲勞輝紋等痕跡，屬于脆性斷裂(見圖4)。
1.3化學(xué)成分分析
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》，采用真空直讀光譜儀對齒輪軸材料進行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.4硬度測試
在斷齒處截取試樣，并對其進行硬度測試。從齒頂測得齒面硬度為52~54HRC，從齒輪齒面中心線與齒根圓相交處測得心部硬度為27~32HRC，均比技術(shù)要求的硬度低。
1.5金相檢驗
通過金相檢驗測得斷口處滲碳層厚度約為1.02mm(見圖5)，滿足技術(shù)要求。按照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》對滲碳層進行評級，可得滲碳層馬氏體級別為4級，殘余奧氏體級別為4級，經(jīng)過腐蝕后試樣碳化物級別為3級。按照J(rèn)B/T 6141.3—1992 《重載齒輪 滲碳金相檢驗》判斷(馬氏體、殘余奧氏體、心部組織不大于4級，碳化物不大于3級)，滲碳層組織滿足要求。心部組織評級主要依據(jù)的是低碳馬氏體與塊狀鐵素體的形態(tài)與分布，允許有貝氏體，觀測位置為齒寬中心線與齒根圓相交處，發(fā)現(xiàn)心部組織主要為粒狀貝氏體+少量索氏體+塊狀鐵素體(見圖6)，未觀測到低碳馬氏體，無法評級。同時，在齒根斷裂處發(fā)現(xiàn)滲碳層有脫碳痕跡,有大量塊狀鐵素體+珠光體(見圖7)。由多個斷齒的金相檢驗結(jié)果可知，部分?jǐn)帻X同樣存在脫碳現(xiàn)象。
1.6滲碳層厚度測量(顯微硬度法)
采用顯微硬度法對滲碳層厚度進行測量，其心部硬度為550HV處到表面的距離為滲碳層的厚度。經(jīng)過測量非脫碳區(qū)域發(fā)現(xiàn)，滲碳層厚度為0.56mm(見圖8)，不滿足技術(shù)要求，比金相檢驗測得的滲碳層厚度低近50%，這說明金相檢驗法測量滲碳層厚度存在局限性。對圖7中的脫碳層進行硬度測試，發(fā)現(xiàn)硬度較低，并且相鄰區(qū)域的硬度同樣低于550HV(見圖9)。
2、綜合分析
齒輪軸斷裂的主要原因為：①齒輪軸材料的有效滲碳層厚度不足，而齒根區(qū)域滲碳層出現(xiàn)脫碳層，這會極大降低表面強度，齒輪軸是強受力部件，齒根又屬于應(yīng)力集中部位，齒輪強度由齒根強度決定，因此齒根強度不足容易使其開裂；②馬氏體有著較高的強度和抗壓性能，但在齒輪心部未發(fā)現(xiàn)馬氏體，硬度不滿足技術(shù)要求，而且該位置與齒根平行，當(dāng)齒根發(fā)生開裂時，心部無法支撐齒輪，導(dǎo)致其最終斷裂。
3、結(jié)論與建議
(1)齒輪軸齒根附近出現(xiàn)脫碳層和心部組織強度編低是齒輪軸斷齒的主要原因。
(2)應(yīng)采用顯微硬度法測量滲碳層厚度，因為當(dāng)熱處理工藝控制不當(dāng)時，實際有效滲碳層厚度與金相檢驗結(jié)果不一致。
(3)滲碳層出現(xiàn)脫碳通常與設(shè)備故障有關(guān)，如出現(xiàn)漏氣或漏水現(xiàn)象等；齒輪心部的顯微組織主要為貝氏體，有效滲碳層厚度偏低說明冷卻速率不符合要求。建議廠家嚴(yán)格控制熱處理工藝參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
