某設備驅動齒輪在使用過程中發生斷齒失效現象。該齒輪材料為20CrMn鋼,熱處理狀態為滲碳淬火+低溫回火。技術要求滲碳硬化層深度為0.7~1.4mm,齒面硬度為56~60HRC,齒輪粗糙度為3.2級。本文通過對失效齒輪的宏觀、微觀斷口形貌觀察,結合齒輪材料化學成分分析、滲碳硬化層深度測量以及失效齒輪部位與其他未失效(同批次未發生斷裂)齒輪部位金相組織對比等檢測,最終確定了齒輪發生斷裂失效的原因。
1.宏觀分析
斷裂失效齒宏觀斷口形貌如圖1所示。失效齒由齒根部斜貫穿至頂部斷裂,裂紋源產生于齒根處。斷口較為平齊,沒有明顯的塑性變形特征,裂紋源附近有明顯的貝紋線,因此可以初步確定該齒輪的失效模式為疲勞斷裂。肉眼觀察,齒輪的表面加工質量較差,齒根部和齒面存在明顯的加工刀紋。
圖1 失效齒宏觀形貌
2.斷口微觀觀察
將斷裂失效齒置入FEI Quanta 650FEG掃描電子顯微鏡下進行微觀斷口觀察。斷口的低倍形貌如圖2a所示,整個斷口較平坦,未發現夾渣、氣孔、疏松等冶金缺陷。裂紋源區形貌如圖2b所示,位于齒的根部位置,源區可見多條臺階條紋,屬多源且有應力集中現象。裂紋擴展區形貌如圖2c、圖2d所示,可見明顯的疲勞輝紋,主要呈疲勞特征,此外可觀察到少量的二次裂紋。最后撕裂區呈韌窩特征,如圖2e所示,撕裂區面積占整個斷口面積較少。
(a) 低倍形貌 (b)裂紋源區形貌
(c)擴展區形貌 (d)擴展區放大形貌(疲勞特征)
(e)最后撕裂區形貌
圖2 微觀斷口形貌
3.化學成分
從附表中實測齒輪化學成分和GB/T 3077—2015《合金結構鋼》標準中對20CrMn鋼成分要求比較可知,齒輪中的Si元素含量超出標準要求。
20CrMn鋼齒輪化學成分(質量分數) (%)
元素 | C | Mn | Si | Ni | Cr | Mo | S | P |
實測值 | 0.227 | 1.00 | 0.29 | 0.025 | 1.01 | 0.018 | 0.0062 | 0.016 |
標準值 | 0.17~0.23 | 0.9~1.2 | 0.17~0.23 | ≤0.03 | 0.9~1.2 | — | ≤0.035 | ≤0.035 |
4.滲碳硬化層深度檢驗
根據GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校核》檢查齒輪滲碳層的有效硬化層深度。利用VMH-I04顯微維氏硬度計測試了齒面至心部的硬度,并繪制齒輪的滲碳硬化層硬度梯度曲線,試驗載荷為0.49N(50gf),加載時間為10s。圖3為滲碳硬化層硬度梯度曲線。由圖3可見,齒輪滲碳的有效硬化層深度約為1.2mm,符合技術要求的0.7~1.4 mm。
采用洛氏硬度計對齒輪的滲碳層表面硬度進行測量,齒輪滲碳層表面硬度約為61HRC,符合技術要求的滲碳層表面硬度為56~62HRC。
圖3 滲碳硬化層硬度梯度曲線
5.顯微組織
采用OLYMPUS GX 71金相顯微鏡對失效齒輪和未失效齒輪的金相組織進行比對觀察,失效齒輪和未失效齒輪試樣經過4%硝酸酒精侵蝕后的金相組織分別如圖4、圖5所示。從圖4可以看出,失效齒輪裂紋源附近金相組織為高碳馬氏體+沿晶界分布的網狀碳化物,且越接近表面網狀碳化物越粗大;根據GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》標準,參照附錄B對碳化物進行評級,網狀碳化物級別為3.0級。失效齒輪心部組織為低碳馬氏體+少量鐵素體。
圖5為未失效齒輪金相組織,齒根靠近表面附近的金相組織為高碳馬氏體和粒狀碳化物,未觀察到網狀碳化物(見圖5a);心部組織為低碳馬氏體+鐵素體(見圖5b)。
(a)裂紋源附近(25×) (b)裂紋源附近(100×)
(c)裂紋源附近(500×) (d)心部(500×)
圖4 失效齒輪金相組織
(a)齒根表面附近(500×) (b)心部(500×)
圖5 未失效齒輪金相組織
6.分析與討論
齒輪滲碳的有效硬化層深度約為1.2mm,符合技術要求的0.7~1.4mm。齒輪滲碳層表面硬度約為61 HRC,符合技術要求的滲碳層表面硬度為56~62 HRC。
齒輪化學成分不符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》標準中對20CrMn鋼成分要求, Si元素含量超出標準要求。鋼的化學成分對零件表面質量有一定的影響。研究表明,Si多時會降低齒面硬化層表面質量,促使表面層晶界氧化,從而降低齒輪疲勞壽命。
斷口宏觀觀察可知,裂紋源產生于齒根處,斷口較為平齊,沒有明顯的塑性變形特征,裂紋源附近有明顯的貝紋線;結合微觀斷口觀察可見呈疲勞特征的疲勞輝紋,可以判定該齒輪的失效模式為疲勞斷裂。此外,整個斷口較平坦,未發現夾渣、氣孔、疏松等冶金缺陷。
由金相分析結果顯示,失效齒輪裂紋源區附近有沿晶界分布的網狀碳化物,且越接近表面網狀碳化物越粗大,與未失效齒輪金相組織(碳化物呈少量顆粒狀分布)相比,失效齒輪中存在網狀碳化物是由滲碳工藝不當引起的異常組織。而這種沿晶界分布的網狀碳化物因其脆性較大,與基體間的界面結合力較弱,阻礙了基體間的連續性,極易造成材料脆化、塑性降低,從而使疲勞強度降低。此外,齒輪的表面加工質量較差,齒根部存在明顯的加工刀紋,相當于預先存在的疲勞裂紋,這對于齒輪的疲勞總壽命來說有著極其不利的影響。
綜上可知,該設備驅動齒輪失效模式為疲勞斷裂,疲勞源起始于齒輪齒根處。一方面,齒根附近表面加工粗糙,存在明顯的加工刀痕,易引起應力集中,產生疲勞裂紋;另一方面,齒輪滲碳工藝處理不當導致表面附近形成了沿晶界分布的網狀碳化物,使材料脆性增大,疲勞強度降低;在循環載荷作用下使齒輪發生失效斷裂。
來源:熱處理生態圈
作者:夏申琳、王剛、李雪峰
單位:中船重工第七二五研究所
