空壓機(jī)齒輪內(nèi)孔裂紋原因分析

■ 任素紅

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該空壓機(jī)齒輪內(nèi)孔為錐孔，通過過盈裝配與軸組裝。在進(jìn)行空壓機(jī)齒輪與軸的裝配時(shí)出現(xiàn)1件齒輪內(nèi)孔開裂。該齒輪材料為20CrMnTi，技術(shù)要求經(jīng)滲碳淬火、回火處理，表面硬度59～63HRC，有效硬化層深度0.6～0.9mm（550HV3），心部硬度35～43HRC，金相組織執(zhí)行QC/T262《汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求。為查找失效空壓機(jī)齒輪內(nèi)孔裂紋的原因，對(duì)齒輪的材料化學(xué)成分、齒輪有效硬化層深、表面硬度、心部硬度、金相組織、宏觀斷口進(jìn)行了檢查分析，同時(shí)對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡微觀分析。

1.宏觀檢驗(yàn)

從失效齒輪反饋的失效照片看，裂紋沿內(nèi)孔呈現(xiàn)通透型斷裂（見圖1）。從失效齒輪斷口的宏觀特征看，該斷口呈現(xiàn)放射狀的撕裂棱線，放射狀撕裂棱線的收斂處為裂紋源（見圖2）。

圖1 齒輪裂紋全貌

圖2 齒輪斷口宏觀

2.化學(xué)成分分析

失效齒輪材料化學(xué)成分的分析結(jié)果如表1所示。

從表1化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果看，此齒輪的材料為20CrMnTi鋼，符合齒輪圖樣中的材料技術(shù)要求。

3.硬度及硬化層深檢驗(yàn)

對(duì)失效空壓機(jī)齒輪的表面硬度及心部硬度進(jìn)行了檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如表2所示。從表2可知，失效齒輪的表面硬度及心部硬度符合產(chǎn)品的技術(shù)要求。表3為同齒左右齒面的硬化層深硬度梯度及有效硬化層深的檢驗(yàn)結(jié)果。從表3的檢測(cè)結(jié)果看，失效齒輪節(jié)圓處左齒面有效硬化層深0.86mm，右齒面有效硬化層深為0.84mm，符合對(duì)該產(chǎn)品的滲碳層深技術(shù)要求：0.6～0.9mm（550HV3）。

4.金相檢驗(yàn)

對(duì)失效齒輪的滲層組織按QC/T262進(jìn)行金相組織檢測(cè)，碳化物1級(jí)，無粗大碳化物，馬氏體+殘留奧氏體2級(jí)。符合QC/T262滲碳淬火回火后的金相技術(shù)要求。

表1 齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 失效齒輪硬度測(cè)定結(jié)果 （HRC）

表3 齒輪硬化層硬度梯度測(cè)定結(jié)果

5.掃描電鏡分析

經(jīng)對(duì)斷口的掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)在軸頸端靠近裂紋源位置，滲碳層深與基體的連接處發(fā)現(xiàn)較大非金屬夾雜物（見圖3），經(jīng)半定量分析該非金屬夾雜物為氧化鋁，其尺寸為長(zhǎng)105μm，寬33μm。按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》屬于超尺寸夾雜物。其內(nèi)部斷口具有典型的韌窩形貌（見圖4），說明材料內(nèi)部韌性較好。

圖3 齒輪非金屬夾雜物

圖4 齒輪內(nèi)部韌窩

6.非金屬夾雜物的檢驗(yàn)

在失效齒輪的基體上取樣（見圖5），按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)此試塊進(jìn)行了非金屬夾雜物的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)A類、B類、C類和DS類非金屬夾雜物（見圖6）。按GB/T 10561—2005評(píng)級(jí)為A0.5，B2e，C0.5s，DS2。按GB/T3077—2015的要求，夾雜物超級(jí)。

圖5 非金屬夾雜物試塊

圖6 非金屬夾雜物

7.原因分析及結(jié)論

失效齒輪內(nèi)孔的宏觀斷口呈現(xiàn)放射狀的撕裂棱線，裂紋源位于軸頸端。在裂紋源處出現(xiàn)超尺寸非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續(xù)性，當(dāng)齒輪在裝配過程中內(nèi)孔受到徑向拉應(yīng)力作用而發(fā)生斷裂。