452型輸入四檔齒圈裂紋失效分析

摘 要：通過(guò)化學(xué)成分、宏觀形貌、金相組織檢驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試等，對(duì)452型輸入四檔齒圈裂紋原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明該齒圈存在機(jī)加工劃痕，熱處理后產(chǎn)生淬火裂紋是導(dǎo)致該齒圈發(fā)生裂紋的原因，并給出了必要的預(yù)防建議。

關(guān)鍵詞：16MnCrS5；齒圈；裂紋；失效分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.050

1 前言

某汽車變速箱輸入軸四檔齒輪使用的材質(zhì)是16MnCrS5， 16MnCrS5是從德國(guó)引進(jìn)的鋼種，相當(dāng)于我國(guó)16CrMnH鋼（參照GB/T 5216-2004保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)）， 16MnCrS5齒輪鋼經(jīng)滲碳淬火后使用，主要用于制造齒輪、蝸桿、密封軸套等零部件。技術(shù)要求表面硬度58.5-63.3HRC，滲碳層深度0.5-1.0mm，心部硬度30-43HRC；其主要工藝流程是： 下料——鍛造——等溫正火——精加工——滲碳淬火——磨內(nèi)孔。熱處理工藝：加熱至915℃1-2小時(shí)，分級(jí)油冷至185℃3-4 小時(shí)，空冷。磨孔工藝后， 發(fā)現(xiàn)有1個(gè)齒圈有裂紋， 可見(jiàn)圖 1和圖2所示。

2 檢測(cè)內(nèi)容

試樣取自滲碳淬火后開(kāi)裂的裂紋部位，用金相顯微鏡分析金相組織，用顯微硬度計(jì)測(cè)試硬度，用金相顯微鏡評(píng)級(jí)鑒別夾雜物和金相組織。

2.1 化學(xué)分析

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，見(jiàn)表1，原材料16MnCrS5中各元素含量符合技術(shù)要求。

2.2 宏觀形貌分析

按照?qǐng)D2位置線切割取樣，對(duì)齒圈表面裂紋進(jìn)行了金相觀察，見(jiàn)圖3和圖4。在100倍視場(chǎng)下，沒(méi)有觀察到該部位的內(nèi)部裂紋，由此推測(cè)該齒圈表面裂紋應(yīng)為機(jī)加工中發(fā)生的碰撞痕跡。

2.3 金相分析

在100倍視場(chǎng)下，對(duì)齒圈裂紋部位進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)其裂紋走向平直，無(wú)分叉，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂外貌，裂紋在開(kāi)裂的末端逐漸變窄呈現(xiàn)尖狀收尾。400倍視場(chǎng)下觀察，試樣滲碳層部位組織均勻，為細(xì)針狀回火馬氏體和少量殘余奧氏體，改用800倍視場(chǎng)下觀察，細(xì)針狀回火馬氏體和少量殘余奧氏體較為清晰，未見(jiàn)明顯夾雜物和帶狀組織，有少量細(xì)粒狀彌散分布的碳化物。心部組織為板條馬氏體，同時(shí)有少量鐵素體，整體上組織較為均勻，未見(jiàn)明顯夾雜物和帶狀組織。

2.4 硬度分析

實(shí)測(cè)的表面顯微硬度為760-836HV（技術(shù)要求：58.5-63.3HRC），心部硬度為488-504HV （技術(shù)要求：30-43 HRC），均符合相關(guān)要求。根據(jù)滲碳層形貌及實(shí)測(cè)顯微維氏硬度看出（截止到心部550HV），滲碳有效硬化層深約 0.6mm（技術(shù)要求為 0.5-1.0mm），符合技術(shù)要求。

3 失效機(jī)理分析

由圖5可看出，在齒圈裂紋上和下的最后斷裂處外，基本無(wú)明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征。在齒圈外緣有一條弧形裂紋，金相觀察該裂紋內(nèi)部及附近的組織，無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，有效滲碳層較好，裂紋的方向平直，具備淬火裂紋特征，可以推斷該齒圈是在淬火工藝后產(chǎn)生的裂紋，而非鍛造氧化皮折疊所致。

在淬火油中冷卻時(shí)，一般情況下，齒輪部位的冷卻速度要比齒圈部位慢，齒圈靠近齒輪的部位冷卻速度要慢于靠近端面部位，當(dāng)冷卻速度較大時(shí)，最外端面的組織是早于內(nèi)部位置完成組織轉(zhuǎn)變的。此時(shí)，齒圈最外端面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到最大值，淬火裂紋最容易在最外端面產(chǎn)生。最終，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展到表面，如果工件的外表面存在加工碰撞痕跡，由圖3可知，該齒圈表面裂紋應(yīng)為機(jī)加工中發(fā)生的碰撞痕跡，這就會(huì)誘發(fā)或者直接形成可以觀察到的裂紋。

齒輪的滲碳層有效層深和滲碳層硬度均符合技術(shù)要求，齒輪的表面組織和心部組織均符合標(biāo)準(zhǔn)，該齒圈的裂紋是由于機(jī)加工碰撞和淬火裂紋引起的。

4 改進(jìn)建議

一般來(lái)說(shuō)有銳角、孔洞或斷面有急變的零件比較容易淬裂。該齒輪部位和齒圈部位尺寸相差過(guò)大，齒圈相對(duì)較薄，其表面的機(jī)加工痕跡容易成為淬火裂紋的起點(diǎn)。建議加強(qiáng)機(jī)加工生產(chǎn)過(guò)程的控制與檢驗(yàn)，避免發(fā)生在齒圈表面發(fā)生機(jī)加工碰撞，同時(shí)注意熱處理環(huán)節(jié)的淬火溫度和冷卻速度，及時(shí)回火以消除應(yīng)力，注意選用合適的淬火油并及時(shí)更換新油。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目（PPZY2015C234）

作者簡(jiǎn)介：張翔（1974—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，講師，研究方向：金屬材料服役安全。