主動錐齒輪22CrMoH鋼開裂原因分析

孫后金，劉春明，孫亞平，孫少楠

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前 言

22CrMoH鋼是一種重要的高淬透性齒輪用鋼，大量用于加工制造大、中型汽車的主/從動錐齒輪［1］，錐齒輪的主要特點是可以承受較大的載荷，工作過程平穩，振動和噪音小。國內某齒輪生產商在加工完成品包裝或者裝配階段，發現齒輪表面存在縱向裂紋，委托山東壽光巨能特鋼公司進行開裂失效分析。為研究主動錐齒輪產生開裂的主要原因，對其化學成分、宏觀形貌、微觀組織、斷口形貌進行了一系列分析檢測。

2 試驗方法

用戶生產錐齒輪的具體加工工藝為：原材料鋸切下料→加熱鍛打（加熱溫度1 200±20 ℃）→毛坯正火（940 ℃）→機加工→滲碳淬火（溫度920～930 ℃；碳勢1.1～1.2，淬火油為好富頓淬火油，油溫60 ℃）→試樣清洗（清洗溫度70～100 ℃）→低溫回火（180～200 ℃）→矯直。

1）用光譜分析的方法對其化學成分進行分析，設備型號GS1000；制樣方法按照GB/T 20066。

2）對裂紋周邊組織及基體組織進行了金相分析，設備型號Axio Scope.A1；制樣方法機械法。

3）對斷口組織進行了掃描電鏡分析，設備型號EVO MA25；制樣方法機械法。

3 試驗結果與分析

3.1 化學成分分析

對錐齒輪進行取樣，用光譜分析的方法對其化學成分進行分析，化學成分結果見表1，符合22CrMoH齒輪鋼的技術要求。

表1 錐齒輪的化學成分（質量分數） %

3.2 試樣宏觀形貌

送檢樣件宏觀下觀察該失效件表面存在縱向開裂，肉眼可見裂紋長度約16 cm，裂紋比較平直，且在表面花鍵根部處張開距離最大（約0.5 mm），切開后裂紋最大深度約12.6 mm。

3.3 斷口宏觀分析

裂紋源產生于整個花鍵根部皮下約2～3 mm處，裂紋從此處開裂并向左右兩側擴展形成人字形裂紋，頂端指向裂紋源。宏觀觀察，沒有發現裂紋源及整個斷口存在宏觀非金屬夾雜物。

3.4 高倍分析

對裂紋附近及中心基體取樣進行高倍分析，如圖1所示，均為淬火＋低溫回火組織［2］，晶粒度均為6.5級。

對裂紋處進行高倍分析，如圖2、3 所示，裂紋在皮下約2 mm 以下處裂口明顯加大，裂紋尾部及端部開口相對較小，說明裂紋在滲碳層下開裂，豎直走向，向表面及內部擴展，裂紋呈鋸齒形狀并沿晶開裂，個別部位分叉，裂紋末端尖銳，符合應力開裂特征［3］，裂紋兩側沒有明顯的氧化脫碳或增碳，裂紋及附近未發現非金屬夾雜物等冶金缺陷。由此認為，裂紋是在熱處理之后產生的，可能是淬火裂紋。

3.5 掃描電鏡分析

對裂紋源處進行掃描電鏡分析，見圖4。裂紋源距表面約2～3 mm，斷口較平坦，呈現解理斷裂特征。裂紋源呈放射狀擴展，裂紋源及附近沒有非 金屬夾雜物等缺陷。

圖1 裂紋附近及中心基體處組織

圖2 裂紋附近及中心基體處晶粒度

圖3 裂紋高倍形貌

圖4 掃描電鏡形貌

4 結 論

4.1 從裂紋的形態判斷該裂紋屬淬火裂紋，裂紋處沒有氧化脫碳，確定裂紋是在回火之后開裂到外圓表面的，從裂紋出現的時機來看，屬于放置后出現的回火延遲性裂紋，也稱為置裂。

4.2 斷口分析發現裂紋起源于V型花鍵低部皮下約2～3 mm 處，處于滲碳層和基體的過渡部位，是壓應力向拉應力轉變的區間，同時結合V型花鍵的缺口效應，這時往往引起縱向淬火裂紋。

4.3 建議增加淬火液濃度，在保證淬透前提下降低淬火冷卻速度，提高回火溫度及增加回火時間，減少滲碳層和基體的過渡部位殘余應力，降低開裂風險。