20CrMnTi齿轮开裂失效分析_张涛.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n质量与检修2 0 C r M n T i齿轮开裂失效分析张 涛,王利眉,姚 毅(中车眉山车辆有限公司,四川 眉山 6 2 0 0 2 0)摘 要:2 0 C r M n T i钢制从动齿轮运行过程中出现早期开裂,笔者采用化学成分分析、宏观及金相检验、洛氏硬度检测、扫描电镜分析等方法,对从动齿轮开裂原因进行了分析。结果表明:齿轮采用原材料质量较差,存在硫含量超标及网状硫化物型夹杂物超标,材料脆性增大,严重降低该齿轮强韧性,是导致其早期断裂的主要原因;齿轮几何形状特性及圆孔加工质量较差,渗碳调质工艺未采取保护措施导致的残余应力影响,则是导致齿轮在圆孔位置断裂的诱因。最后提出改进意见,以防止此类事故的再次发生。关键词:齿轮;扫描电镜;夹杂物;开裂 中图分类号:TH 1 3 2.4 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 6 1-0 3F a i l u r eA n a l y s i so nC r a c k so f2 0 C r M n T iG e a rZ h a n gT a o,W a n gL i-m e i,Y a oY i(C R R CM e i s h a nC o.,L t d,S i c h u a nM e i s h a n6 2 0 0 2 0)A b s t r a c t:E a r l yc r a c k i n go c c u r r e d i n2 0 C r M n T i s t e e ld r i v e ng e a rd u r i n go p e r a t i o n.C h e m i c a l c o m p o s i t i o na-n a l y s i s,m a c r o s c o p i c a l a n dm e t a l l o g r a p h i c i n s p e c t i o n,R o c k w e l lh a r d n e s st e s ta n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n a l y s i sw e r eu s e d t oa n a l y z e t h e c r a c k i n gc a u s e so f d r i v e ng e a r.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h eq u a l i t yo f r a wm a t e r i-a l su s e df o r t h eg e a r i sp o o r,t h es u l f u rc o n t e n te x c e e d s t h es t a n d a r da n dt h en e t w o r ks u l f i d et y p e i n c l u s i o ne x-c e e d s t h es t a n d a r d,t h eb r i t t l e n e s so f t h em a t e r i a l i n c r e a s e s,a n dt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f t h eg e a r i ss e r i-o u s l yr e d u c e d,w h i c hi s t h em a i nr e a s o n f o r i t s e a r l y f r a c t u r e;T h e i n f l u e n c eo f r e s i d u a l s t r e s s c a u s e db y t h ep o o rg e o m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fg e a r sa n dt h ep r o c e s s i n gq u a l i t yo fr o u n dh o l e s,a n dt h ef a i l u r et ot a k ep r o t e c t i v em e a s u r e s i n t h e c a r b u r i z i n ga n d t e m p e r i n gp r o c e s s,i s t h e i n d u c e m e n t o f t h eg e a rb r e a k i n ga t t h e r o u n dh o l ep o s i-t i o n.F i n a l l y,s u g g e s t i o n s f o r i m p r o v e m e n ta r ep u t f o r w a r dt op r e v e n t t h er e c u r r e n c eo f s u c ha c c i d e n t s.K e yw o r d s:G e a r;S c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e;I n c l u s i o n s;C r a c k i n g作者简介:张涛(1 9 7 6),男,四川射洪人,工程师,大学本科。主要从事铁道货车产品的理化检测及质量分析工作。2 0 C r M n T i钢是在低碳钢基础上添加C r、M n、T i元素,进行表面碳氮共渗后具有较高的强硬度及韧性,广泛运用于齿轮、轴类、活塞类等各种零部件制作,研究其质量具有重要意义。在某厂生产的材质为2 0 C r M n T i的钢制从动齿轮装机运行7 2小时后发出异响,经过排查后发现该型齿轮出现早期断裂,见图1。该齿轮制造工艺流程为:棒材下料镦造成型去应力正火机加工定型碳氮共渗淬火低温回火。正火工艺为:9 2 0保温2 h,空冷;碳氮共渗工艺为:9 2 0渗碳,渗碳后炉冷至8 7 0保温2 h油冷,2 0 0低温回火2 h。产品技术要求为:渗层深度0.50.8 mm;表面硬度5 66 2 HR C,心部硬度3 54 0 HR C。为防止批量事故发生,笔者对该齿轮断裂原因进行分析,提出改进意见,避免类似事故再次发生。1 理化检验采用德国0 B L FQ S N 7 5 0型光谱仪分析其心部化学成分,用荷兰I NN OVA T E S T型洛氏硬度计进行硬度检测,用德国蔡司E V O1 8型扫描电镜进行断口扫描,蔡司A x-i o v e r t 2 0 0M MA T型金相显微镜进行金相检验。1.1 化学成分检测由于该齿轮进行表面处理,取心部进行化学成分分析,执行标准为G B/T 4 3 3 6-2 0 1 6碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法),分析结果见表1,其化学成分中硫含量稍微高出标准G B/T3 0 7 7-2 0 1 5合金结构钢所规定的标准值。图1 断裂位置表1 齿轮化学成分及标准值(质量分数,%)元素CS iM nSPC rC uT iN iM o标准要求0.1 70.2 30.1 70.3 70.81.1 00.0 3 00.0 3 01.0 01.3 00.3 00.0 40.1 00.3 00.3 0测定值0.2 00.2 71.0 00.0 3 30.0 1 51.2 00.0 30.0 5 50.0 20.0 116DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0242 0 2 3年第9期1.2 硬度检测在齿轮各部位进行表面及心部硬度检测见表2。从表2可知,硬度满足技术条件要求。表2 齿轮硬度检测结果及技术要求(H R C)硬度值表面心部位置技术要求5 8-6 43 5-4 0测定值5 8.63 5.8齿顶5 9.43 6.0齿内平台1.3 金相检验1.3.1 非金属夹杂物截取临近断裂齿轮的齿平行面和垂直面分别进行取样,将试样打磨抛光至镜面后在金相显微镜下观察夹杂物分布,夹杂物分布如图2、图3所示。短条状灰(黑)色的夹杂物呈网状分布在基体上,2 0 C r M n T i钢种中的主要夹杂物为硫化物与氧化物1,2,结合化学成分分析中S元素含量超标可判断图2中夹杂物为硫化物。因其形态(未轧制变形)不适用其推荐标准,即齿轮用热轧棒执行标准G B/1 0 5 6 1-2 0 0 7,故参考T B/T2 4 5 1-1 9 9 3铸钢中夹杂物金相检验评级标准进行评级,评定为3级。非金属夹杂作为钢中的第二相杂质,在基体中会严重影响基体的连续性。该批次齿轮所用原材料为热轧圆钢,其硫化物夹杂物形态因轧制变形应呈条状,而不是呈网状分布,网状夹杂物分割材料基体,在外载荷的作用下,微观尺度上存在应力不均匀,缺陷处产生应力集中,进而萌生裂纹,继而严重降低材料的强塑性指标。该批次齿轮所用原材料存在轧制比过小,夹杂物形态差,头尾端去除不足等质量问题。放大倍数:2 0 0图2 齿轮非金属夹杂(a平行于齿轮表面)放大倍数:2 0 0图3 齿轮非金属夹杂(b垂直于齿轮表面)1.3.2 微观组织因该断裂齿轮采用碳氮共渗淬火+低温回火工艺,分别在裂纹齿部及相邻断裂部位取样,将试样打磨抛光至镜面,采用4%硝酸酒精腐蚀5-1 0 s后在金相显微镜下观察。并测量齿轮表面共渗层深度、对共渗层金相组织评级以及微观裂纹检测。如图4所示,齿轮显微组织从表面至心部为高碳针条状马氏体+网状(条状)渗碳体,逐渐过度为针条状马氏体+残余奥氏体,最后为回火板条状马氏体,其中基体中存在明显可见的夹杂物,其中表面组织及心部组织按J B/T9 2 1 12 0 0 8中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级评为4-5级,渗碳层组织满足技术要求,渗碳淬火工艺正常。1.3.3 渗层检测渗层深度检测采用金相法,依据标准为G B/T1 1 3 5 4-2 0 0 5钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验,检测结果齿顶部位约0.3 5 mm,齿根部位约0.3 0 mm,不满足技术条件规定的0.5 00.8 0 mm深度要求。渗层金相评级按标准Q C/T 2 9 0 1 8-1 9 9 1汽车碳氮共渗齿轮金相检验评级,其中碳氮化合物评级为45级,残余奥氏体及马氏体评级为4级,见图5。放大倍数5 0 0浸蚀剂4%HNO3酒精溶液图4 齿轮表面组织放大倍数5 0 0浸蚀剂4%HNO3酒精溶液图5 齿顶组织图1.3.4 微观裂纹检验断口垂直面存在平行于断口方向、深度约0.3 mm的扩展裂纹 一 条,见 图6;在 相 临 齿 根 部 位,距 离 表 面0.1 5 mm处发现长度约为0.2 5 mm的毛细裂纹一条,裂纹终点位置距离齿根表面约0.4 mm,沿硬化层扩展至齿根表面中止,见图7。图6 毛细裂纹1图7 毛细裂纹22 断口分析2.1 宏观断口分析断裂齿轮断口宏观形貌见图1、图8、图9,断口表面呈灰黑色,未见陈旧性裂纹及缺陷等,断口表面干净无锈蚀氧化物等腐蚀物,为贯穿性单一裂纹,无肉眼可见扩展裂26内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n纹。分析裂纹起源于定位销孔靠近齿顶部位(图8),分别向上向下扩展,最后向上断裂在受力最大的齿根部位,向下贯穿整个径向厚度方向截至与内孔,最终断裂区形貌因应力巨大呈现出撕裂台阶(图9)。齿轮表面进行了碳氮共渗处理,表面组织与心部组织存在差异,断裂时在断裂边缘处呈现脆性解理断裂,微观形貌见图1 1。图8 宏观断面1图9 宏观断面2图1 0 扩展区S EM形貌图图1 1 瞬断区S EM形貌图2.2 微观断口分析图1 2 断口微观形貌图1 3 起源部位微观形貌断裂起源处为穿晶脆性断裂,晶界处存在内裂纹。裂纹扩展的心部韧性断裂,局部存在准解理断裂。最后断裂区因应力巨大表现为穿晶脆性断裂。球状夹杂物密集分布在整个断裂面上,见图1 2。其中定位销孔上方断口处(断裂起源部位)夹杂物尤为严重见图1 3。大量夹杂物存在会严重降低齿轮材料的均匀性,网状夹杂物影响尤其巨大,起到分割基体的作用,对齿轮塑性及韧性产生恶劣影响。3 齿轮断裂失效分析结合齿轮运行情况、裂纹位置及宏观形貌、夹杂物及化学成分、硬度、渗层及金相组织等分析结果,判断齿轮属于早期低应力开裂,主要原因为:一是用于制造齿轮的原材料存在夹杂物不达标,化学成分中硫元素较高,原材料轧制工艺不合理或头尾端未去除等原材料不合格造成齿轮基体强韧性较低;二是制造工艺控制及流程无法支持齿轮定位孔结构设计对使用可靠性的保证。主要分析如下:齿轮为从动齿轮设计,齿轮齿槽部位设计有3个定位孔,其中2定位孔相邻,齿轮工作时,通过定位销实现传动链接,因力矩作用,相较于齿面该销控所受应力更大;齿轮孔洞设计存在不利于热处理质量控制问题,容易产生裂纹,存在内孔应力过大的风险,尤其是碳氮共渗及热处理工艺未对齿轮空洞进行保护处理,致使圆孔内壁存在共渗层,调质处理后内孔表面组织为高碳马氏体且表面组织相变应力较大,共同作用致使该处脆性增加,韧性降低。制造过程中,存在定位孔加工精度及位置公差对后续的热处理质量及组装配合影响较大,孔内壁碳氮共渗后具有较高的组织应力及硬度,不利于装配时过盈配合,尤其在内孔加工精度及质量较差时,进一步加剧装配应力,产生毛细内裂纹,显著降低基体韧性。齿轮用原材料选用存在问题,标准要求选用轧制用圆钢,轧制比不小于3,要求化学成分及夹杂物满足要求。理化分析显示其化学成分中硫含量超标、夹杂物中硫化物形态及含量超标,说明该工件用原材料冶炼质量控制较差。夹杂物形态与铸钢中硫化物形态一致呈现网状,说明该圆钢轧制工艺不合理,未通过合理的轧制工艺净化材质提升强韧性等;根据同批次齿轮使用情况,确定是否批量事故还是随机事件。如未随机事件则是在原材料使用过程中未去除质量较差的头尾所致。4 结论(1)齿轮断裂方式为低应力脆性断裂,齿轮用原材料存在网状夹杂物、硫含量超标、及轧制工艺不合理等因素整体上降低成品齿轮的强韧性,是造成早期断裂的主要原因;齿轮定位孔内表面质量差、内应力较大、组装对其产生不利影响及结构应力集中是造成断裂的次要原因;(2)加强原材料质量控制,建议新增原材料低倍组织检验、夹杂物检验,严格把控产品源头质量,尤其关注棒材头尾部位的检验;提高定位孔(定位销)表面质量,在碳氮共渗及淬火时对内孔采用保护措施,防止孔内碳氮共渗,降低内孔面组织应力及表面硬度,提高内孔韧性,降低组装应力。参考文献:1 许国方,张雪良,杨树峰,等.2 0 C r M n T i齿轮钢冶炼全流程的夹杂物分析J.中国冶金,2 0 2 0,3 0(1 1):2 3-2 8.2 杨勇,刘浏,崔京玉.转炉生产2 0 C r M n T i齿轮钢中夹杂物及相分析研究J.钢铁,2 0 1 0,4 5(1 0):4 1-4 6,5 6.3杨晓洁,杨军,袁国良 金属材料失效分析 化学工业出版社,2 0 1 9.36