齒輪軸齒根部裂紋產(chǎn)生原因分析

王洪如

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210007)

0 前言

某減速機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)的大型減速機(jī)的齒輪軸，圖紙上標(biāo)明該齒輪軸鍛坯的材料牌號(hào)為42CrMo，在齒根部發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生造成齒輪軸失效。該齒輪軸根部裂紋被懷疑是鍛坯質(zhì)量所致，江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院對(duì)該齒輪軸裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)，并分析了裂紋的產(chǎn)生原因是熱處理引起的。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

齒輪軸外觀如圖1所示。在齒輪軸的齒根部觀察到有裂紋存在，裂紋大多在同一側(cè)齒根部，呈斷續(xù)狀分布，裂紋開(kāi)口較小，長(zhǎng)約200～300 mm，如圖2所示。從齒根部的橫截面觀察，可以看到裂紋的最深處約15 mm，如圖3所示。在齒輪軸的嚙合面未發(fā)現(xiàn)有明顯碾壓痕跡，也未發(fā)現(xiàn)該齒輪軸存在過(guò)載運(yùn)行的宏觀特征。

圖1 齒輪軸外觀Fig.1 Picture of gear shaft

圖2 齒根部裂紋外觀Fig.2 Appearance of tooth root

撥開(kāi)裂紋，觀察斷口可知，靠近齒根表面附近的斷口區(qū)域較為平坦細(xì)膩，其余區(qū)域斷口較粗糙。同時(shí)可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展條紋，從擴(kuò)展條紋的方向可以判斷，裂紋是由齒根部的表面開(kāi)始，向內(nèi)部擴(kuò)展。斷口色澤灰暗，有輕度氧化，無(wú)明顯的塑性變形特征。

圖3 齒根部裂紋橫截面外觀Fig.3 Cross-section appearance of crack at tooth root

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)齒輪軸的化學(xué)成分進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可知，該齒輪軸的化學(xué)成分符合JB/T6396－2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中42CrMo鋼的技術(shù)要求。

表1 齒輪軸鍛坯化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of forging stock for gear shaft

1.3 顯微組織分析

齒輪軸的顯微組織照片如圖4所示，該齒輪軸已經(jīng)過(guò)表面硬化處理，其齒根部表面有一硬化層，表層組織為馬氏體 (圖4a)，次表層組織為鐵素體+馬氏體+珠光體 (圖4b)，部分區(qū)域有魏氏組織特征，而齒輪軸的心部組織為鐵素體+珠光體 (圖4c)。

圖4 齒輪軸的顯微組織Fig.4 Microstructure of gear shaft

裂紋起始于齒根部R角處，裂紋呈斷續(xù)狀向內(nèi)發(fā)展，如圖5a所示。從圖5b中可以看到裂紋在表層和次表層組織的交界處有明顯的錯(cuò)位特征。裂紋兩側(cè)的組織與裂紋附近區(qū)域無(wú)明顯區(qū)別，都存在魏氏組織的特征，且未發(fā)現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象，如圖5c和圖5d所示。

1.4 掃描電鏡顯微分析

圖6a為裂紋起始區(qū)域的掃面電鏡形貌照片，可以看到明顯的沿晶斷裂特征［1］。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口的微觀特征則主要為河流狀花樣，表現(xiàn)為解理斷裂為主［1］，如圖6b所示。局部區(qū)域有少量的韌窩花樣和極少量的準(zhǔn)解理花樣，同時(shí)局部可見(jiàn)有二次裂紋，如圖6c所示。

圖5 裂紋處顯微組織Fig.5 Microstructure at crack

1.5 力學(xué)性能分析

圖6 裂紋的掃描電鏡顯微分析Fig.6 Analysis of cracks by means of scanning electron microscope

齒輪軸的拉伸、沖擊以及硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。由測(cè)試結(jié)果可知，該齒輪軸基體的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合42CrMo鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)的技術(shù)要求。由硬度測(cè)試結(jié)果可知，該齒輪的表層硬度值符合圖紙要求的表面淬火的硬度值，同時(shí)其心部基體硬度值也符合圖紙中調(diào)質(zhì)狀態(tài)的技術(shù)要求。

表2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 results of mechanics performance testing

2 綜合分析

分析可以看出，齒輪軸的化學(xué)成分符合42CrMo鋼的技術(shù)要求。該齒輪軸的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)也均符合42CrMo鋼調(diào)質(zhì)處理后的技術(shù)要求。表層和心部基體的硬度值也符合圖紙中的技術(shù)要求。

從宏觀分析可知，齒輪軸的齒部未發(fā)現(xiàn)過(guò)載運(yùn)行的特征，裂紋均位于齒根部R角處，裂紋開(kāi)口較小，且呈斷續(xù)狀分布。從其斷口上裂紋擴(kuò)展條紋的方向可以判斷裂紋起始于齒根部的表面，且斷口無(wú)明顯塑性變形特征。而由金相分析可知，裂紋也是起始于齒根部的R角處，呈斷續(xù)狀由外向內(nèi)發(fā)展，裂紋兩側(cè)邊緣無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，排除了鍛造裂紋的可能性［2］。同時(shí)，裂紋在表層和次表層組織交界處有明顯的錯(cuò)位特征，表明了有過(guò)大的組織應(yīng)力的存在。此外，在齒輪軸的次表層區(qū)域的組織中有部分魏氏組織特征，而心部組織中無(wú)魏氏組織存在，魏氏組織的出現(xiàn)表明該齒輪軸存在熱處理工藝不當(dāng)。

由掃描電鏡顯微分析可知，裂紋起始區(qū)的微觀形貌主要表現(xiàn)為沿晶斷裂特征，而裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌則以解理斷裂為主，局部有二次裂紋、少量韌窩和準(zhǔn)解理花樣，排除了應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞以及疲勞斷裂的可能性。

3 結(jié)論

裂紋均位于齒根部R角處，呈斷續(xù)狀由外向內(nèi)發(fā)展，裂紋兩側(cè)邊緣無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象;在齒輪軸的次表層區(qū)域的組織中有部分魏氏組織特征，而心部組織中無(wú)魏氏組織存在，表明該齒輪軸齒根部出現(xiàn)的裂紋是齒輪加工過(guò)程中的熱處理工藝不當(dāng)造成的。

［1］崔岳賢，王長(zhǎng)利.金屬斷口分析 ［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［2］孫智，江利，應(yīng)展鵬.失效分析——基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.