齒輪軸縱向延遲開裂的原因分析

錢志高 張偉

[摘? ? 要 ]齒輪軸是一種金屬圓桿狀的機械零件，主要用于支撐轉動零件，并與之一起回轉，從而傳遞運動、扭矩或彎矩。在加工制造或實際應用中，齒輪軸可能會出現各種質量問題，其中縱向延遲開裂是一種較為常見的情況。本文針對某齒輪軸樣品的縱向延遲開裂問題，分別進行了化學成分檢驗、金相檢驗、顯微組織檢驗等一系列工作，根據檢驗結果分析、判斷了導致開裂的具體原因，即殘余應力作用下的氫延遲開裂。最后提出了針對性的解決建議。

[關鍵詞]齒輪軸;縱向延遲開裂;金相檢驗;斷口分析

[中圖分類號]TH132.41 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Gear shaft is a kind of metal rod-shaped mechanical parts， which is mainly used to support rotating parts and rotate with them， so as to transfer motion， torque or bending moment. In manufacturing or practical application， there may be a variety of quality problems of gear shaft， in which longitudinal delayed cracking is a common case. Aiming at the problem of longitudinal delayed cracking of a gear shaft sample， a series of work such as chemical composition inspection， metallographic inspection and microstructure inspection were carried out respectively. According to the inspection results， the specific cause of cracking was analyzed and judged， that is， hydrogen delayed cracking under residual stress. Finally， the paper puts forward some suggestions.

[Keywords]gear shaft; longitudinal delayed cracking; metallographic examination; fracture analysis

作為機械裝置的重要零件，齒輪軸的質量將會對機械裝置的運行效率和使用安全產生直接影響。某齒輪軸的材質為20CrMnTi，加工處理流程為：棒料、機械加工、表面氣體滲碳、淬火、低溫回火。同一批次的齒輪軸中，有較多的零件均出現了縱向裂縫，因為達不到驗收標準而無法交付。因此，必須要通過深入分析，明確導致齒輪軸縱向開裂的具體原因，然后采取改良工藝和處理措施，降低經濟損失。

1 產品理化檢驗

1.1 化學成分檢驗

從齒輪軸上取少量樣品，使用光譜儀進行化學成分分析。根據光譜儀分析結果，主要元素的質量分數如下：碳0.21%、硅0.28%、錳1.05%、鉻1.30%、鈦0.05%、磷0.02%。用實測值和標準值進行對照，發現各類元素的質量分數全部在標準范圍以內，未發現異常，符合《合金結構鋼（GB/T3007-2015）》中對20CrMnTi鋼的成分要求。

1.2 金相檢驗及斷口分析

從齒輪軸上切割少部分作為試樣，使用工具將其磨制、拋光后，放于金相顯微鏡下進行觀察。在左側端面上，可以發現有一處較為明顯的開裂，從端部軸壁向下貫穿于機加工的內孔。此處開裂為上寬下窄，端部裂口最寬處達到了1.3 mm。裂縫在內孔處停止，未擴展到右側端面。裂紋較為平直，只有在軸體結構突變部位有輕微的變形。進一步觀察可以發現，整條裂紋自始至終貫通，未出現斷續情況。該裂紋的形狀特征與淬火應力下開裂裂紋的特征相符合。

在完成表面觀察后，使用工具將裂紋啟開，對裂紋內部情況做進一步的觀察和檢驗?？梢园l現，在齒輪軸的齒根表面1.4 mm×3.1 mm的長方形范圍內，出現了裂紋。并且該裂紋從表層向深部繼續擴展，裂紋的末端已經達到了齒輪軸的中心區域。另外，在顯微鏡下還觀察到一條長度為1.4 mm，主要成分為鎂鋁氧化物的大尺寸非金屬夾雜物的起裂源。從分布位置上來看，該起裂源靠近滲碳淬硬層，在基體過渡區上方。非金屬夾雜物的兩側，可以觀察到脆性沿晶（靠近滲碳淬硬層）和穿晶準解理（靠近基體過渡區）的混合斷口。在起裂源右側2.7 mm處的梭型凹坑內，還發現了另一處長度為1.7 mm的大尺寸夾雜物。進一步分析，發現夾雜物成分、外貌特征等，與上一處起裂源相似。參照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法（GB/T10561-2005）》中的評定標準，觀察到的兩處起裂源大尺寸夾雜物的級別相當于B2.5級。

1.3 硬度檢驗及滲碳層深度測試

材料的環向抗拉強度為1100 MPa，規定非比例延伸強度為840MPa，斷后伸長率為14%，斷面收縮率為60%。齒腰處測得的表面滲碳硬化層深度為1.37 mm，輪齒心部組織的平均硬度為430HV0.5，不同測試點顯微硬度值相差可達40HV0.5，存在硬度分布不均勻問題。材料力學性能和表面滲碳層深度均符合相關的技術條件要求。

1.4 顯微組織檢驗

斷裂源區附近的橫剖面低倍組織比較均勻，除輕微的錠型偏析外，未見其它低倍組織缺陷。從低倍試樣上還可以看到，淬火裂紋基本上沿徑向擴展，從表面到心部裂紋比較平直，通過心部后擴展方向才發生偏轉，說明裂紋擴展方向主要受淬火應力控制。在齒輪軸的縱向切割斷面上，可以發現半徑1/2處，以及裂紋源附近，分別含有較為明顯的非金屬夾雜物。通過提取這些夾雜物并進行成分分析，發現以點狀氧化物為主，同時還含有少量的硫化物。提取齒輪軸表面滲碳層材料進行分析，結果表明材料屬于針狀回火馬氏體組織;按照同樣的方法，對齒輪軸心部材料進行分析，結果明顯材料屬于板條狀回火馬氏體組織。兩處材料的檢查結果均發現了較為嚴重的帶狀顯微偏析。將上述觀察及分析結果，對照《金屬平均晶粒度測定方法（GB/T6394-2002）》中的相關規定，確定齒輪軸心部原奧氏體晶粒度為8.0級。

在顯微觀察中，使用高倍鏡觀察到，在裂紋兩側并未出現材料氧化、脫碳的情況，這也側面印證了裂縫是在齒輪軸熱處理環節出現的。進一步觀察裂縫的紋路及走向，從位于材料內部的起裂源，沿著晶界由內而外的向表層延伸。這種分布形態與一般的調質熱處理裂紋不匹配。提取裂縫兩側和斷口處的夾雜物，其顏色為灰褐色，使用色譜儀分析后，判斷該夾雜物的主要成分時FeS-FeO。同樣的，這類物質也不可能在調質熱處理的溫度范圍內產生。綜合上述條件，可以推斷出該裂紋的形成，是熱處理環節鍛造工藝不當或操作方法不當引起的。例如，在熱處理時加熱時間過長，導致材料中的MnS被氧化，成為了MnO，同樣的，一部分Fe和S結合生成了FeS、還有一部分Fe氧化又生成了FeO。最終產物FeS-FeO在裂縫處不斷積累，引起熱脆，即鍛造過程中發生了不可逆轉的穩定過熱。在齒輪軸的加工工藝中，雖然經過鍛造處理后，齒輪軸的表面為由立刻出現裂紋，但是在內部微觀結構上，晶界已經發生了較為嚴重的脆化。熱處理中因為應力集中，內部脆化部分形成了裂縫，然后這些裂縫不斷發育，由內而外的擴展，最終在齒輪軸的表面觀察到縱向裂縫。

2 齒輪軸縱向延遲開裂的原因分析

結合齒輪軸的尺寸以及裂縫的寬度，可以計算出起裂源處的彈性應變量。在此基礎上，繪制出彈性應力應變曲線，根據曲線能夠粗略估算起裂源位置，經過熱處理后周向殘余拉應力約為620 MPa。由于該批次的齒輪軸剛制作完成、并未投入使用，在存儲期間沒有受到其他作用力的影響，可以初步排除是外部作用力導致的裂紋。同時，根據觀察和分析起裂源周邊拉伸斷口和沖擊斷口，發現兩處斷口都是以準解理斷口為主，這與起裂源斷口的特征并不相同。根據這一現象，進一步驗證了齒輪軸的裂紋與外力過載沒有直接聯系。另外，結合之前的觀察和分析，可知在起裂源區的裂縫斷口處，分布著較多的脆性沿晶。而脆性沿晶的形成，是氫致延遲斷裂的一種典型特征。根據作用形式的不同，又可以分成外部氫和內部氫導致材料脆化、引發開裂的2種情況。具體到待測齒輪軸來說，結合前期觀察結果和放置環境，空氣干燥，未發現銹蝕痕跡，不具備外部氫導致材質脆化的條件，因此判斷為內氫延遲斷裂。

根據以往的經驗，對于高強度的鋼材料，發生氫致延遲斷裂主要與2種因素直接相關，其一是應力過于集中，其二是氫的富集。正常情況下，根據《合金結構鋼（GB/T3007-2015）》中對20CrMnTi鋼的成分要求，氫的質量分數應控制在0.7×10-5以下，但是實際測量值達到1.2×10-5，氫含量超標。當材料局部的氫含量和應力值，超出了最大允許范圍時，就會因為氫的富集，加速材料的脆化。與此同時，因為應力集中，導致脆化的材料發生延遲斷裂。另外，當齒輪軸發生縱向開裂后，裂縫中存在的非金屬夾雜物，還會對氫原子產生吸附作用。從而使周邊的氫原子，或是外部氫原子不斷的向裂縫位置移動、富集，最終裂縫處的局部氫含量明顯超出正常值，促使裂縫進一步發育、擴展。大尺寸非金屬夾雜物的存在導致高強度鋼的連續性受到了破壞，開裂處能夠承受的最大應力值也低于其他正常位置，這也會導致材料的延遲開裂進一步加劇。

齒輪軸表面經滲碳硬化處理后，沿深度方向碳含量分布形成較大的梯度，因此淬火后馬氏體相變產生的體積變化不同，表面層殘余應力的總體分布是表層滲碳區為壓應力，滲碳層下過渡區殘余應力逐漸由最大壓應力過渡到最大拉應力。所分析齒輪軸表面下方2.2～2.5 mm深度處的硬度接近基體，為最大殘余拉應力分布區域?？梢?，裂紋源處的非金屬夾雜物恰位于最大殘余拉應力區。裂紋源右側夾雜物雖然尺寸更大且周圍已發生氫致延遲裂紋，但由于其位置更深，殘余拉應力值略低，因而沒有先于源區的裂紋發生大面積擴展。

在前期的金相檢驗中，起裂源區的夾雜物不易檢測，給檢驗、分析帶來了一定的難度。究其原因，與夾雜物的來源有密切關系。分析發現，這些夾雜物都屬于外源性非金屬夾雜物，而普通的金相檢驗，只能檢測到內生性非金屬夾雜物。為了準確識別起裂源區夾雜物的成分、特征，考慮使用無損檢測代替金相檢驗。從實際應用效果來看，無損檢測通過非接觸式的方式，對裂縫內存在的夾雜物進行準確識別，為分析延遲開裂提供了必要的參考。此外，根據觀察和分析，齒輪軸還表現出較為明顯的帶狀顯微偏析。材料硬度并不均勻，起裂源就分布在硬度偏小的區域。

3 結論及建議

3.1 分析結論

通過開展一系列實驗和分析，可以確定該齒輪軸的裂縫，是熱處理過程中產生的殘余應力過于集中，加上內部氫在局部富集，導致材料脆性增強，因為應力過載而引發的延遲開裂。開裂方向與應力方向相同，故表現為縱向裂縫。其中，齒根下方既是拉應力區，同時又容易集聚非金屬夾雜物，這是導致裂縫形成后，繼續發育和擴展的重要原因。在齒輪軸的加工過程中，經過熱處理環節后，材料局部硬度發生變化，導致硬度不均勻，在硬度偏小的區域，齒輪軸材料的環向力學性能遭到了破壞，也是引起氫致延遲開裂的又一重要原因。

3.2 解決建議

在檢驗方面，齒輪軸送檢時應當將大尺寸非金屬夾雜物作為重點檢查對象。如果常規的金相檢驗不能準確、清晰的觀察到非金屬夾雜物，還應考慮使用無損檢測。在加工方面，在齒輪軸的加工工藝中，可以適當增加回火溫度，并且相應的縮短加熱時間。這樣能夠有效降低熱處理環節中的殘余應力，從而降低了出現延遲開裂的概率。

結語：齒輪軸的斷裂是生產制造和使用運行中較為常見的一類故障。使用過程中出現斷裂，可能與荷載過大等外部因素有關。但是如果剛出廠、未使用的齒輪軸出現了開裂，則考慮是生產工藝出現了問題。為了從源頭上解決問題、遏制損失，必須要選取出現裂縫的齒輪軸樣品進行檢驗和分析。在本文的研究中，針對斷裂的齒輪軸樣品，分別進行了金相檢驗、斷口分析、化學成分檢驗、顯微組織檢驗等一系列工作。根據觀察到的現象和檢驗的結果，最終判斷該齒輪軸的斷裂，屬于氫致延遲開裂。氫原子在局部富集，導致鋼材料的脆性增強。同時，由于應力集中，引起裂縫。明確了原因后，提出了提升回火溫度并縮短加熱時間的解決建議。經過工藝改良后，新生產的齒輪軸未再發現縱向延遲開裂的情況，問題得到了解決。

參考文獻

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