某設備驅動齒輪在使用過程中發(fā)生斷齒失效現(xiàn)象。該齒輪材料為20CrMn鋼,熱處理狀態(tài)為滲碳淬火+低溫回火。技術要求滲碳硬化層深度為0.7~1.4mm,齒面硬度為56~60HRC,齒輪粗糙度為3.2級。本文通過對失效齒輪的宏觀、微觀斷口形貌觀察,結合齒輪材料化學成分分析、滲碳硬化層深度測量以及失效齒輪部位與其他未失效(同批次未發(fā)生斷裂)齒輪部位金相組織對比等檢測,最終確定了齒輪發(fā)生斷裂失效的原因。
1.宏觀分析
斷裂失效齒宏觀斷口形貌如圖1所示。失效齒由齒根部斜貫穿至頂部斷裂,裂紋源產生于齒根處。斷口較為平齊,沒有明顯的塑性變形特征,裂紋源附近有明顯的貝紋線,因此可以初步確定該齒輪的失效模式為疲勞斷裂。肉眼觀察,齒輪的表面加工質量較差,齒根部和齒面存在明顯的加工刀紋。
圖1 失效齒宏觀形貌
2.斷口微觀觀察
將斷裂失效齒置入FEI Quanta 650FEG掃描電子顯微鏡下進行微觀斷口觀察。斷口的低倍形貌如圖2a所示,整個斷口較平坦,未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、疏松等冶金缺陷。裂紋源區(qū)形貌如圖2b所示,位于齒的根部位置,源區(qū)可見多條臺階條紋,屬多源且有應力集中現(xiàn)象。裂紋擴展區(qū)形貌如圖2c、圖2d所示,可見明顯的疲勞輝紋,主要呈疲勞特征,此外可觀察到少量的二次裂紋。最后撕裂區(qū)呈韌窩特征,如圖2e所示,撕裂區(qū)面積占整個斷口面積較少。
(a) 低倍形貌 (b)裂紋源區(qū)形貌
(c)擴展區(qū)形貌 (d)擴展區(qū)放大形貌(疲勞特征)
(e)最后撕裂區(qū)形貌
圖2 微觀斷口形貌
3.化學成分
從附表中實測齒輪化學成分和GB/T 3077—2015《合金結構鋼》標準中對20CrMn鋼成分要求比較可知,齒輪中的Si元素含量超出標準要求。
20CrMn鋼齒輪化學成分(質量分數(shù)) (%)
元素 | C | Mn | Si | Ni | Cr | Mo | S | P |
實測值 | 0.227 | 1.00 | 0.29 | 0.025 | 1.01 | 0.018 | 0.0062 | 0.016 |
標準值 | 0.17~0.23 | 0.9~1.2 | 0.17~0.23 | ≤0.03 | 0.9~1.2 | — | ≤0.035 | ≤0.035 |
4.滲碳硬化層深度檢驗
根據(jù)GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校核》檢查齒輪滲碳層的有效硬化層深度。利用VMH-I04顯微維氏硬度計測試了齒面至心部的硬度,并繪制齒輪的滲碳硬化層硬度梯度曲線,試驗載荷為0.49N(50gf),加載時間為10s。圖3為滲碳硬化層硬度梯度曲線。由圖3可見,齒輪滲碳的有效硬化層深度約為1.2mm,符合技術要求的0.7~1.4 mm。
采用洛氏硬度計對齒輪的滲碳層表面硬度進行測量,齒輪滲碳層表面硬度約為61HRC,符合技術要求的滲碳層表面硬度為56~62HRC。
圖3 滲碳硬化層硬度梯度曲線
5.顯微組織
采用OLYMPUS GX 71金相顯微鏡對失效齒輪和未失效齒輪的金相組織進行比對觀察,失效齒輪和未失效齒輪試樣經(jīng)過4%硝酸酒精侵蝕后的金相組織分別如圖4、圖5所示。從圖4可以看出,失效齒輪裂紋源附近金相組織為高碳馬氏體+沿晶界分布的網(wǎng)狀碳化物,且越接近表面網(wǎng)狀碳化物越粗大;根據(jù)GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》標準,參照附錄B對碳化物進行評級,網(wǎng)狀碳化物級別為3.0級。失效齒輪心部組織為低碳馬氏體+少量鐵素體。
圖5為未失效齒輪金相組織,齒根靠近表面附近的金相組織為高碳馬氏體和粒狀碳化物,未觀察到網(wǎng)狀碳化物(見圖5a);心部組織為低碳馬氏體+鐵素體(見圖5b)。
(a)裂紋源附近(25×) (b)裂紋源附近(100×)
(c)裂紋源附近(500×) (d)心部(500×)
圖4 失效齒輪金相組織
(a)齒根表面附近(500×) (b)心部(500×)
圖5 未失效齒輪金相組織
6.分析與討論
齒輪滲碳的有效硬化層深度約為1.2mm,符合技術要求的0.7~1.4mm。齒輪滲碳層表面硬度約為61 HRC,符合技術要求的滲碳層表面硬度為56~62 HRC。
齒輪化學成分不符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》標準中對20CrMn鋼成分要求, Si元素含量超出標準要求。鋼的化學成分對零件表面質量有一定的影響。研究表明,Si多時會降低齒面硬化層表面質量,促使表面層晶界氧化,從而降低齒輪疲勞壽命。
斷口宏觀觀察可知,裂紋源產生于齒根處,斷口較為平齊,沒有明顯的塑性變形特征,裂紋源附近有明顯的貝紋線;結合微觀斷口觀察可見呈疲勞特征的疲勞輝紋,可以判定該齒輪的失效模式為疲勞斷裂。此外,整個斷口較平坦,未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、疏松等冶金缺陷。
由金相分析結果顯示,失效齒輪裂紋源區(qū)附近有沿晶界分布的網(wǎng)狀碳化物,且越接近表面網(wǎng)狀碳化物越粗大,與未失效齒輪金相組織(碳化物呈少量顆粒狀分布)相比,失效齒輪中存在網(wǎng)狀碳化物是由滲碳工藝不當引起的異常組織。而這種沿晶界分布的網(wǎng)狀碳化物因其脆性較大,與基體間的界面結合力較弱,阻礙了基體間的連續(xù)性,極易造成材料脆化、塑性降低,從而使疲勞強度降低。此外,齒輪的表面加工質量較差,齒根部存在明顯的加工刀紋,相當于預先存在的疲勞裂紋,這對于齒輪的疲勞總壽命來說有著極其不利的影響。
綜上可知,該設備驅動齒輪失效模式為疲勞斷裂,疲勞源起始于齒輪齒根處。一方面,齒根附近表面加工粗糙,存在明顯的加工刀痕,易引起應力集中,產生疲勞裂紋;另一方面,齒輪滲碳工藝處理不當導致表面附近形成了沿晶界分布的網(wǎng)狀碳化物,使材料脆性增大,疲勞強度降低;在循環(huán)載荷作用下使齒輪發(fā)生失效斷裂。
來源:熱處理生態(tài)圈
作者:夏申琳、王剛、李雪峰
單位:中船重工第七二五研究所
