以起重機齒輪箱中的20CrMnTi滲碳齒輪為研究對象，從金相分析、化學(xué)成分分析、斷齒宏觀形貌分析、硬度測試、掃描電鏡分析等方面出發(fā)，對該尺寸的斷裂失效問題進行原因分析。最后，進行數(shù)據(jù)匯總分析，可發(fā)現(xiàn)齒輪齒根部在淬透性不足下會使心部無法獲得馬氏體組織，相反在產(chǎn)生貝氏體組織后易在應(yīng)力過載下產(chǎn)生裂紋，且裂紋持續(xù)增大會使齒輪斷裂。
對于20CrMnTi滲碳鋼的應(yīng)用而言，基于其淬透性較高的優(yōu)點，為確保材料具有堅硬耐磨的表面和較高硬度的心部，可以進行滲碳淬火處理，同時該材質(zhì)也有著較高的環(huán)境適應(yīng)能力，在低溫中有著較高的沖擊韌性。結(jié)合材質(zhì)特性，在進行軸承軸、齒輪的制造生產(chǎn)中，多應(yīng)用該材料，可使零件適應(yīng)其所處的高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高摩擦等環(huán)境。以某齒輪制造企業(yè)的滲碳齒輪生產(chǎn)看，其材料為20CrMnTi滲碳鋼，參考客戶應(yīng)用一段時間后的反饋看，部分齒輪的斷裂問題較為明顯，經(jīng)濟損失較大且干擾作業(yè)進度。因此，有必要對斷齒進行質(zhì)量缺陷分析，以期提高齒輪生產(chǎn)質(zhì)量。
在案例齒輪制造中，具體為低速直齒圓柱齒輪，可應(yīng)用于起重機的齒輪箱中，為確保其齒輪強度和性能，該廠選擇20CrMnTi滲碳鋼材質(zhì)進行制造。其制造工序有以下方面：第一，進行原配鍛造和原材正火處理;第二，對鋼坯進行粗車、半精車和精車操作;第三，結(jié)合尺寸需求進行滾齒并做好毛刺處理;第四，進一步剃齒，完成后開展關(guān)鍵的滲碳淬火處理;第五，進行回火，消除應(yīng)力。不過結(jié)合客戶反饋在出現(xiàn)較高齒輪斷裂故障下，需要進行故障原因分析。
應(yīng)用多方面檢測技術(shù)可以提高斷裂原因的研究可靠性，具體而言，化學(xué)成分的分析可以借助離子體質(zhì)譜儀，例如有C/S分析儀及電感耦合等;齒輪斷齒位置的宏觀形貌可以直接進行拍照記錄;金相組織了解可借助Leica DM 1500光學(xué)金相顯微鏡;滲碳層硬度則借助HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計(載荷1kg);顯微組織及斷口的微觀部分，可以使用環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)，一般型號選擇FEI Quanta 250型。
齒輪材料成分探究：對20CrMnTi滲碳齒輪進行成分分析 ，其檢測結(jié)果可以參考表1。結(jié)合表1，Cr、Mn、Si、C等元素的含量皆符合GB/T3077—1997 《合金結(jié)構(gòu)鋼》 中，對20CrMnTi材料的指標(biāo)要求。因此，可判斷材料因素不是齒輪斷裂的關(guān)鍵。
齒根部的金相觀察：對齒根部進行金相觀察分析，通過檢測對應(yīng)的心部顯微組織和滲碳層碳化物參考圖1。滲碳層殘余碳化物級別為1級，需對心部進行觀察;心部貝氏組織，且內(nèi)部夾雜著黑色物質(zhì)。綜上，在齒根心部應(yīng)該為回火馬氏體組織下，其金相組織檢測發(fā)現(xiàn)問題，其組織未達到質(zhì)量要求。初步判斷齒輪斷裂跟金相組織相關(guān)。
圖 1 齒根位置心部顯微組織和滲碳層碳化物
斷齒硬度測試討論：在完成齒輪材料性能和金相組織等方面檢測后，還需要直接對斷裂齒輪進行根部硬度檢測。具體以正常齒輪齒為研究對象，以 GB/T 9450—2005 為檢測標(biāo)準(zhǔn)，以根部轉(zhuǎn)角作為檢測位置，合理開展維氏硬度檢測。經(jīng)過科學(xué)的操作和檢測，齒輪根部轉(zhuǎn)角位置的滲碳層深度(CHD550HV1)約為1.4mm，且齒面平均硬度(HV)為650。經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)的分析，滿足碳鋼滲碳的參數(shù)要求，能初步判斷滲碳層深度不影響齒輪斷裂。
齒根微觀組織觀察：為了驗證金相組織觀察的結(jié)果，還需針對齒根部進行微觀方面的觀察。其齒根位置心部和滲碳層的掃描電鏡參考圖2，齒根部表層組織均為回火馬氏體，且馬氏體級別在4~5級之間，證明組織良好;過渡區(qū)逐漸出現(xiàn)了貝氏體，證明心部可能存在缺陷;心部皆為上貝氏體，且上貝氏體中的碳化物有著不規(guī)則及續(xù)片狀，于鐵素體條間存在。
圖 2 齒根位置心部和滲碳層的掃描電鏡
齒輪斷口分析：針對斷齒部位，分別切取斷口和斷口表面附近的縱剖面，對斷裂原因進行進一步分析。
斷口的形貌：開展齒根位置的斷口形貌分析。具體而言：微觀觀察滲碳層的齒輪斷口，其斷口為冰糖狀，為沿晶脆性斷裂;觀察心部的斷口形貌，一方面存在撕裂嶺，有穿晶準(zhǔn)解理斷口;另一方面存在明顯夾雜物，主要為硫化錳、氧化鐵的復(fù)合物。
附近縱剖面：斷口縱剖面進行掃描電鏡后，其表層有明顯的擠壓變形現(xiàn)象，可驗證齒根斷裂的裂紋源位置。其次，裂紋源區(qū)的塑形變形區(qū)尺寸約為80～90μm，可分析在裂紋擴展到80～90μm后，齒輪結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)問題，最終斷裂故障產(chǎn)生。
首先，化學(xué)分析、硬度測試后，可得出齒輪成分符合材質(zhì)要求 、齒輪平面硬度和滲碳層深度良好等結(jié)果，可證明齒輪斷裂的因素可以排除制造材料成分和滲碳層深度。其次，對內(nèi)部組織進行金相組織研究，在齒根心部錯誤形成上貝氏體組織，而非正常生成回火馬氏體組織下，金相組織不符合要求，初步判斷為斷齒原因。同時開展齒根微觀形貌觀察，其表層為回火馬氏體組織，且級別為4~5級，驗證金相組織觀察。最后，對齒輪斷口進行研究，內(nèi)部碳化物為斷續(xù)片狀，易提高滲碳層脆性，進一步降低上貝氏體的韌性。因此，心部出現(xiàn)上貝氏體組織是斷齒的直接原因，而根本原因是齒輪的尺寸較大，制造工藝未改進會影響其淬透性，無法保證正常生成回火馬氏體組織。
積極開展齒輪斷裂原因的分析，能為齒輪制造工藝的改進奠定基礎(chǔ)。具體而言：齒輪斷裂位置為齒根部;齒輪斷裂外力為交變應(yīng)力作用;齒輪斷裂特征中，外力影響下會先產(chǎn)生裂紋，并在裂紋增加到80~90μm后齒輪結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)瞬間斷裂;齒輪斷裂原因，是受齒輪過大影響，20CrMnTi鋼的淬透性略有不足，使心部生成上貝氏體組織，無法正常生成馬氏體組織，其片狀碳化物易促進裂紋擴展。在明確齒輪斷裂原因后，能優(yōu)化后續(xù)制造工藝，經(jīng)過齒輪熱處理等工藝的改進，能提高齒輪的質(zhì)量并促進企業(yè)發(fā)展。
參考文獻略
0 引言
對于20CrMnTi滲碳鋼的應(yīng)用而言，基于其淬透性較高的優(yōu)點，為確保材料具有堅硬耐磨的表面和較高硬度的心部，可以進行滲碳淬火處理，同時該材質(zhì)也有著較高的環(huán)境適應(yīng)能力，在低溫中有著較高的沖擊韌性。結(jié)合材質(zhì)特性，在進行軸承軸、齒輪的制造生產(chǎn)中，多應(yīng)用該材料，可使零件適應(yīng)其所處的高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高摩擦等環(huán)境。以某齒輪制造企業(yè)的滲碳齒輪生產(chǎn)看，其材料為20CrMnTi滲碳鋼，參考客戶應(yīng)用一段時間后的反饋看，部分齒輪的斷裂問題較為明顯，經(jīng)濟損失較大且干擾作業(yè)進度。因此，有必要對斷齒進行質(zhì)量缺陷分析，以期提高齒輪生產(chǎn)質(zhì)量。
1 齒輪檢測的試驗方案
在案例齒輪制造中，具體為低速直齒圓柱齒輪，可應(yīng)用于起重機的齒輪箱中，為確保其齒輪強度和性能，該廠選擇20CrMnTi滲碳鋼材質(zhì)進行制造。其制造工序有以下方面：第一，進行原配鍛造和原材正火處理;第二，對鋼坯進行粗車、半精車和精車操作;第三，結(jié)合尺寸需求進行滾齒并做好毛刺處理;第四，進一步剃齒，完成后開展關(guān)鍵的滲碳淬火處理;第五，進行回火，消除應(yīng)力。不過結(jié)合客戶反饋在出現(xiàn)較高齒輪斷裂故障下，需要進行故障原因分析。
2 齒輪斷裂的數(shù)據(jù)分析
應(yīng)用多方面檢測技術(shù)可以提高斷裂原因的研究可靠性，具體而言，化學(xué)成分的分析可以借助離子體質(zhì)譜儀，例如有C/S分析儀及電感耦合等;齒輪斷齒位置的宏觀形貌可以直接進行拍照記錄;金相組織了解可借助Leica DM 1500光學(xué)金相顯微鏡;滲碳層硬度則借助HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計(載荷1kg);顯微組織及斷口的微觀部分，可以使用環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)，一般型號選擇FEI Quanta 250型。
齒輪材料成分探究：對20CrMnTi滲碳齒輪進行成分分析 ，其檢測結(jié)果可以參考表1。結(jié)合表1，Cr、Mn、Si、C等元素的含量皆符合GB/T3077—1997 《合金結(jié)構(gòu)鋼》 中，對20CrMnTi材料的指標(biāo)要求。因此，可判斷材料因素不是齒輪斷裂的關(guān)鍵。
表 1 齒輪化學(xué)成分
斷齒宏觀形貌分析：在輪齒齒根的彎曲應(yīng)力最大處為齒輪斷口，同時斷裂位置存在凹凸不平的特征。借助肉眼還能觀察到斷齒上面的放射性條紋。因此，可判斷斷齒受過載應(yīng)力影響，出現(xiàn)強制破斷。齒根部的金相觀察：對齒根部進行金相觀察分析，通過檢測對應(yīng)的心部顯微組織和滲碳層碳化物參考圖1。滲碳層殘余碳化物級別為1級，需對心部進行觀察;心部貝氏組織，且內(nèi)部夾雜著黑色物質(zhì)。綜上，在齒根心部應(yīng)該為回火馬氏體組織下，其金相組織檢測發(fā)現(xiàn)問題，其組織未達到質(zhì)量要求。初步判斷齒輪斷裂跟金相組織相關(guān)。
圖 1 齒根位置心部顯微組織和滲碳層碳化物
斷齒硬度測試討論：在完成齒輪材料性能和金相組織等方面檢測后，還需要直接對斷裂齒輪進行根部硬度檢測。具體以正常齒輪齒為研究對象，以 GB/T 9450—2005 為檢測標(biāo)準(zhǔn)，以根部轉(zhuǎn)角作為檢測位置，合理開展維氏硬度檢測。經(jīng)過科學(xué)的操作和檢測，齒輪根部轉(zhuǎn)角位置的滲碳層深度(CHD550HV1)約為1.4mm，且齒面平均硬度(HV)為650。經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)的分析，滿足碳鋼滲碳的參數(shù)要求，能初步判斷滲碳層深度不影響齒輪斷裂。
齒根微觀組織觀察：為了驗證金相組織觀察的結(jié)果，還需針對齒根部進行微觀方面的觀察。其齒根位置心部和滲碳層的掃描電鏡參考圖2，齒根部表層組織均為回火馬氏體，且馬氏體級別在4~5級之間，證明組織良好;過渡區(qū)逐漸出現(xiàn)了貝氏體，證明心部可能存在缺陷;心部皆為上貝氏體，且上貝氏體中的碳化物有著不規(guī)則及續(xù)片狀，于鐵素體條間存在。
圖 2 齒根位置心部和滲碳層的掃描電鏡
斷口的形貌：開展齒根位置的斷口形貌分析。具體而言：微觀觀察滲碳層的齒輪斷口，其斷口為冰糖狀，為沿晶脆性斷裂;觀察心部的斷口形貌，一方面存在撕裂嶺，有穿晶準(zhǔn)解理斷口;另一方面存在明顯夾雜物，主要為硫化錳、氧化鐵的復(fù)合物。
附近縱剖面：斷口縱剖面進行掃描電鏡后，其表層有明顯的擠壓變形現(xiàn)象，可驗證齒根斷裂的裂紋源位置。其次，裂紋源區(qū)的塑形變形區(qū)尺寸約為80～90μm，可分析在裂紋擴展到80～90μm后，齒輪結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)問題，最終斷裂故障產(chǎn)生。
3 齒輪斷裂的結(jié)果討論
首先，化學(xué)分析、硬度測試后，可得出齒輪成分符合材質(zhì)要求 、齒輪平面硬度和滲碳層深度良好等結(jié)果，可證明齒輪斷裂的因素可以排除制造材料成分和滲碳層深度。其次，對內(nèi)部組織進行金相組織研究，在齒根心部錯誤形成上貝氏體組織，而非正常生成回火馬氏體組織下，金相組織不符合要求，初步判斷為斷齒原因。同時開展齒根微觀形貌觀察，其表層為回火馬氏體組織，且級別為4~5級，驗證金相組織觀察。最后，對齒輪斷口進行研究，內(nèi)部碳化物為斷續(xù)片狀，易提高滲碳層脆性，進一步降低上貝氏體的韌性。因此，心部出現(xiàn)上貝氏體組織是斷齒的直接原因，而根本原因是齒輪的尺寸較大，制造工藝未改進會影響其淬透性，無法保證正常生成回火馬氏體組織。
4 結(jié)語
積極開展齒輪斷裂原因的分析，能為齒輪制造工藝的改進奠定基礎(chǔ)。具體而言：齒輪斷裂位置為齒根部;齒輪斷裂外力為交變應(yīng)力作用;齒輪斷裂特征中，外力影響下會先產(chǎn)生裂紋，并在裂紋增加到80~90μm后齒輪結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)瞬間斷裂;齒輪斷裂原因，是受齒輪過大影響，20CrMnTi鋼的淬透性略有不足，使心部生成上貝氏體組織，無法正常生成馬氏體組織，其片狀碳化物易促進裂紋擴展。在明確齒輪斷裂原因后，能優(yōu)化后續(xù)制造工藝，經(jīng)過齒輪熱處理等工藝的改進，能提高齒輪的質(zhì)量并促進企業(yè)發(fā)展。
參考文獻略