20Cr13钢主动齿轮断裂原因.pdf

55na质量控制与失效分析2023年第59 卷PTCA(PARTAPHYS.TEST.)理化检验-物理分册D0I:10.11973/lhjy-w120230701420Cr13钢主动齿轮断裂原因张健国家再制造机械产品质量检验检测中心（山东），泰安2 7 10 0 0 摘要：某主动齿轮根部在紧固过程中发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、金相检验、扫描电镜分析等方法对主动齿轮断裂的原因进行了分析。结果表明：原材料存在过烧组织，导致部分晶界融化重熔，重熔区域存在Cr元素偏聚；晶界因过热析出大量铁素体，组织过烧和过热会使晶界结合力丧失，降低其塑性，最终导致主动齿轮发生断裂。关键词：主动齿轮；断裂；过热；过烧；元素偏聚；铁素体中图分类号：TB31；T G 115.2文献标志码：B文章编号：10 0 1-40 12(2 0 2 3)0 7-0 0 55-0 3Causes of fracture of 20Cr13 steel driving gearZHANG JianNational Remanufacturing Machinery Product Quality Inspection and Testing Center(Shandong),Taian 2710o0,ChiAbstract:The root of a driving gear fractured during tightening.The fracture reasons of the driving gearwere analyzed by means of macroscopic observation,chemical composition analysis,hardness testing,metallographic examination and scanning electron microscope analysis.The results show that the raw material hadoverburning structure,leading to partial grain boundary melting and remelting,there was segregation of Cr elementin the remelted region.A large amount of ferrite precipitated from the grain boundary due to overheating.Overburning and overheating of the structure could cause the loss of grain boundary adhesion,reduced its plasticity,ultimately led to the fracture of the driving gear.Keywords:driving gear;fracture;overheating;overburning;element segregation;ferrite某主动齿轮的齿轮扇根部穿过一根六角型钢，通过下方螺栓紧固的方式将两者夹紧。某公司一批主动齿轮经硬度验收合格后人库，在后续装配过程中，紧螺栓时，齿轮扇根部发生断裂，此时尚未使用扭力扳手，因此其断裂强度非常低。按照图纸标注，该批主动齿轮的材料为2 0 Cr13钢，经调质处理后,其硬度为2 0 3 0 HRC。笔者对该主动齿轮进行了一系列理化检验，分析其断裂原因，以避免该类问题再次发生。1理化检验1.1宏观观察断裂主动齿轮的宏观形貌如图1所示，可见断收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 3作者简介：张健（19 8 7 一），男，工程师，主要从事金属材料检测和失效分析工作，裂位置位于结构最薄弱处。图2 为断口宏观形貌，可见断口为瓷状断口，呈灰色，无金属光泽，无明显裂纹源。结合螺纹孔进度方向，判断断裂的起始位置为图1所示的六边形外侧。断裂位置紧固螺孔断裂起点图1断裂主动齿轮的宏观形貌1.2化学成分分析依据GB/T20878一2 0 0 7 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分，采用真空直读光谱仪对断裂主动齿轮进行化学成分分析，结果如表1所示，可见该主动56张健：2 0 Cr13钢主动齿轮断裂原因理化检验-物理分册齿轮的化学成分符合GB/T208782007的要求。1.3硬度测试在主动齿轮的断裂处取样，对试样进行硬度测试，发现试样的硬度为2 12 6 HRC,硬度测试结果波动较大，但均满足技术要求。1.4金相检验在断裂主动齿轮断口附近取样，对试样进行抛光，然后用氯化铁盐酸水溶液对其进行腐蚀，在光学显微镜下进行观察，结果如图3 所示。由图3 可知：图2断口宏观形貌表1断裂主动齿轮的化学成分分析结果%质量分数项目CSiMnPSCrNi实测值0.230.420.530.0220.00812.120.18标准值0.160.251.001.000.0400.03512.0014.000.60100ma)整体20umb）黑色带状组织图3断裂主动齿轮的显微组织形貌试样的组织主要为铁素体基体上分布着粒状渗碳体，即球化珠光体，沿晶界附近有大量析出物呈灰色；在珠光体外，部分晶界处分布着黑色带状组织，其中夹杂着白色块状组织。将金相试样在体积分数为10%的硫酸硝酸溶液中腐蚀3 0 s，并用清水洗涤，再用脱脂棉擦拭，重复3 次，进行轻微的抛光后置于光学显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：整个试样表面呈灰色，上面密集分布着黑色斑点，其中黑色斑点为腐蚀孔洞，附近基体上的晶界呈白色，并呈断续状分布，可证实是组织过烧的特征；灰色基体上的晶界呈黑色，为组织过热的特征O20uma）黑色斑点中的白色晶界20umb）灰色基体组织中的黑色晶界图4金金相试样经硫酸硝酸腐蚀后的微观形貌1.5扫描电镜分析采用扫描电镜（SEM)对断口进行观察，结果如图5所示。由图5可知：从断裂起始位置到断裂终止位置，断口的微观形貌无明显区别，均呈冰糖颗粒形状，属于沿晶断裂，但表面不光滑，中间穿插部分穿晶断裂，无疲劳辉纹等痕迹，属于脆性断裂；发现有沿晶界分布的带状组织，呈解理断裂特征。为进一步明确组织中发现的黑色带状组织和晶界析出物，将金相试样置于SEM下进行观察,结果如图6所示。由图6 可知：沿基体组织晶界析出的是铁素57张健：2 0 Cr13钢主动齿轮断裂原因理化检验-物理分册体，为组织过热的特征 2；黑色带状组织为凹坑缺陷，并沿晶界深人基体，为组织晶界过烧重熔的特征 2;凹坑中的白色块状组织为球形颗粒状组织。为进一步分析晶界凹坑附近的组织，对金相试样进行面扫描，结果如图7 所示。由图7 可知：晶界析出的铁素体和凹坑内的颗粒状组织都有明显的Cr元素偏聚痕迹，说明凹坑内的颗粒为析出铁素体重熔后的组织晶界带状组织晶界带状组织100um10umuma)整体b)带状组织(低倍）c)带状组织(高倍)图5断口的SEM形貌um10umJuma)8铁素体组织b）黑色带状组织c）白色块状组织图6 金金相试样的SEM形貌60m60uma)分析位置b)Cr元素分布图7金相试样的面扫描结果2综合分析由上述理化检验结果可知：主动齿轮存在过热和过烧组织，基体中主要为过热组织，过烧组织在基体中呈点状分布。晶界析出铁素体是过热的特征，铁素体是硬脆相，会降低材料强度；晶界上有凹坑，凹坑内的铁素体呈不规则球状，是过烧的特征。过烧会导致晶界发生融化并形成凹坑，重熔结晶产生铁素体；过烧会导致晶界结合力丧失，使其发生沿晶断裂，在晶界上的铁素体带发生解理断裂。过热导致Cr元素在晶界偏聚，晶粒内Cr元素含量不足，材料的耐腐蚀性下降。正常情况下，2 0 Cr13钢调质后的组织应为索氏体 3 ，但是该主动齿轮的组织为球化珠光体，为退火组织，强度低于索氏体。20Cr13钢淬透性很强，空冷即可得到马氏体 4，退火的冷却速率较快时，硬度能达到2 0 HRC以上。如果回火温度过高（约7 50），可能形成球化珠光体 5,硬度也能控制在2 0 HRC以上。目前难以区分零件中球化珠光体是退火形成还是回火温度高导致，但未能形成索氏体，说明其热处理工艺控制不当，组织不良。（下转第6 0 页）60（上接第57 页）韩冬60Si2Mn钢盘条断裂原因理化检验-物理分册当金属表面受到擦蹭力作用时，受力位置的温度会急剧上升，严重时可达到材料的奥氏体化温度，奥氏体晶粒内部的碳元素分布不均，导致材料内部不同区域的马氏体转变温度不同；擦蹭过程持续时间较短，奥氏体化不均匀，晶粒在高温状态下发生瞬间冷却，导致晶粒没有及时恢复、长大；材料内部发生组织切变时，马氏体转变温度不同，导致新的组织在奥氏体微区边界上形核，最终得到了晶粒度很小的淬火马氏体，该类马氏体尺寸较小，不能在显微镜下被观察到，故称其为隐晶马氏体 4-5。马氏体的硬度高、塑性差，在受到拉拔力时，该区域产生应力集中并萌生裂纹。在盘条打包过程中，若打包线与基体之间无防护措施，盘条表面容易发生瞬间碰撞和擦蹭，导致接触位置发生变形 6 ，并形成淬火组织。在装车和运输过程中，盘条与磁性材料之间易发生摩擦碰撞，产生瞬时高温，形成淬火组织；在校直过程中，盘条椭圆度控制不当会导致盘条与设备之间发生异常摩擦，摩擦过程中发生组织变形，并产生极大的内能，使材料瞬间完成局部淬火，形成了隐晶马氏体。3结论与建议60Si2Mn钢盘条的断裂原因为：在卷簧前及卷簧初期的拉拔过程中，盘条表面受到了擦蹭，组织发生严重变形，并形成了隐晶马氏体，在拉拔力的作用3结论与建议主动齿轮中存在过热和过烧组织，导致基体强度降低，过烧会使晶界结合力丧失，严重降低其塑性，且组织不良，在较小作用力下齿轮就会发生断裂。过烧无法通过热处理解决，只能进行报废处理。金相检验具有破坏性，企业通常采用硬度测试作为验收标准，但热处理属于特殊工序，硬度测试时存在极大的局限性，因此仍需要采用过程参数控制的方式来控制热处理工艺。参考文献：1张菊水.钢的过热与过烧 MI.上海：上海科学技术出下，裂纹在该处萌生并不断扩展，最终导致盘条断裂。建议在材料打包过程中，在打包线和盘条之间做好隔离防护工作；利用叉车调运时，防止发生严重擦蹭，人库时减少搬运；控制盘条的椭圆度，避免其与设备之间发生局部异常摩擦。参考文献：1陈礼清，王帅，赵阳.超高强韧弹簧钢及其研究现状和发展趋势J.材料与冶金学报，2 0 2 2，2 1（5）：3 13-322.2孙萌，姜周华，李阳，等.汽车悬架用弹簧钢55SiCr制备技术的研究进展J.中国冶金，2 0 2 2，3 2（10）：2 5-37.3刘莹，田庆荣，陈国庆，等.浅析SWRH82B盘条拉拔断口典型形貌及特征 J.天津冶金，2 0 11（4)：6 1-6 3，70.4刘宗昌，计云萍，任慧平.近几年马氏体相变研究的进展 J.热处理，2 0 11,2 6（6：1-8.5陈治娟，王学前，刘惠南，等。隐晶马氏体形成规律的试验研究 J.吉林工业大学学报，19 8 2，12（2）：3 9-46.6邱容容，陈泽平，谢斌，等.8 2 B高碳钢热轧盘条心部异常组织分析及改善措施.理化检验（物理分册），2019,55(6):381-384.版社，19 8 4.2王忠诚.热处理常见缺陷分析与对策 MI.北京：化学工业出版社，2 0 0 8.3韩克甲，曹颖，赵晓辉.法兰密封螺栓断裂失效分析J.理化检验（物理分册），2 0 17,53（10）：7 6 8-7 7 0.4李炯辉.金属材料金相图谱 M.北京：机械工业出版社，2 0 0 6.5张平.热处理工艺对Cr13型不锈钢组织和性能的影响 D.重庆：重庆大学，2 0 0 5.