齒輪轂開裂原因分析

劉 敏 孫宜強 王俊霖 張 萍

(武漢鋼鐵(集團)公司研究院 湖北 武漢：430080)

1 概況

某公司委托齒輪轂開裂試樣1件，要求分析缺陷及原因。據(jù)委托者介紹，該齒輪轂裝配于鐵路軌道車驅(qū)動齒輪箱上，輪轂材料采用42CrMo4，該輪轂在調(diào)質(zhì)后加工時發(fā)現(xiàn)裂紋。在相同的工藝情況下，制造齒輪轂過程中出現(xiàn)批次裂紋，裂紋集中在同一鋼廠的兩個冶煉爐號里。經(jīng)公司檢驗發(fā)現(xiàn)，合金元素含量偏高。

2 材料與分析方法

2.1 試驗材料

所取材料為齒輪轂開裂試樣，材料采用42CrMo4。齒輪轂生產(chǎn)工藝如下：裝料→模鍛(或胎膜鍛)→鍛造廠正火(860～880*6～8h)→粗加工→調(diào)質(zhì)→去黑皮→超聲波探傷→半精車→精加工→濕法磁粉探傷→數(shù)控加工鉆孔→攻絲→注油孔→精整→檢驗→入庫。齒輪轂經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后發(fā)現(xiàn)其表面開裂。

2.2 試驗方法

首先對斷口進行宏觀和微觀形貌分析。然后在裂紋附近分別取截面樣和表面樣，進行鑲嵌、磨制、拋光和腐蝕后在OLYMPUS的GX71金相顯微鏡下進行微觀形貌和組織觀察，并在FEI Quanta 400掃描電鏡和EMPA-1720電子探針下進行微區(qū)成份分析。最后對所取試樣的顯微硬度進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 斷口分析

開裂輪轂裂紋近似沿圓周方向分布，其宏觀形貌見圖1。

經(jīng)切割后露出裂紋面，可以發(fā)現(xiàn)整個斷裂面沒有明顯的塑性變形，裂紋面表面氧化嚴重，經(jīng)除銹處理后能夠觀察到明顯沿晶斷裂的特征，見圖2。

圖1 開裂輪轂的宏觀形貌

圖2 開裂輪轂的斷口微觀形貌

3.3 組織與成分分析

在裂紋附近取徑向截面樣和表面樣(直接磨制輪轂表面)，鑲嵌磨制后觀察。發(fā)現(xiàn)兩件試樣裂紋的特征基本相同：裂紋末端較為圓鈍，縫隙中有氧化物，裂紋兩側(cè)出現(xiàn)高溫氧化特征；在裂紋兩側(cè)還有細小的裂紋，裂紋為曲折狀，有明顯的沿晶特征，見圖3。對裂紋附近高溫氧化原點進行能譜分析，見圖4。

試樣經(jīng)3%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察：兩件試樣的組織均為回火索氏體+針片狀的貝氏體回火，在截面樣上可以發(fā)現(xiàn)輪轂靠近表層和裂紋附近組織主要為回火索氏體，針片狀的貝氏體明顯較少；而在遠離裂紋和表層區(qū)域的組織中則可見較多的針片狀貝氏體特征。在表面樣上可以發(fā)現(xiàn)其組織有明顯的偏析特征(暗色條帶和亮色條帶交替)，裂紋近似沿偏析條帶開裂，見圖5。用電子探針分析偏析條帶上的成分偏析情況，結(jié)果如圖6所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，偏析條帶上Cr、Mo等元素都存在明顯的偏析。

圖3 試樣裂紋形貌

圖4 裂紋周圍細小的氧化原點與能譜分析

對輪轂取樣分析其夾雜物，發(fā)現(xiàn)試樣存在較多的顆粒狀夾雜物，其形狀棱角分明，最大長度可達50μm，其能譜分析見圖7。

3.4 偏析條帶的顯微硬度分析

用顯微硬度分別分析偏析條帶上亮色和暗色的偏析條帶的硬度，其結(jié)果如表1。從中可以發(fā)現(xiàn)暗色偏析條帶上的顯微硬度普遍高于亮色偏析條帶。

表1 偏析條帶上不同部位的硬度值

4 討論

從以上的試驗分析結(jié)果來看，斷裂面的斷口較為平齊，沒有明顯的塑性變形，呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，斷裂面上有明顯的沿晶斷裂特征。

從所取試樣的裂紋形態(tài)分析，主裂紋末端較為圓鈍，裂紋兩側(cè)有高溫氧化特征，這些都不符合淬火裂紋的特征[1]。同時，輪轂表面的組織和裂紋附近的組織均為回火索氏體，而基體中除回火索氏體外還含有較多的針片狀貝氏體，說明裂紋產(chǎn)生的時間較早，裂紋附近與輪轂表面的熱處理環(huán)境相同。因此輪轂裂紋是不是淬火時產(chǎn)生的裂紋，而是在熱鍛的時候已經(jīng)產(chǎn)生了裂紋。

圖5 表面樣組織

圖6 偏析條帶上的元素偏析情況

圖7 試樣中夾雜物的能譜分析

從輪轂的化學成分分析以及微區(qū)成分分析可以看出，輪轂的合金元素偏高，并存在嚴重的偏析，導致輪轂的組織偏析明顯，進而導致偏析條帶之間力學性能的差異。而偏析帶之間力學性能的差異在熱鍛時導致帶與帶之間會產(chǎn)生很大的應力。另一方面，由于輪轂中的夾雜物顆粒較大而且較多，其與基體的界面結(jié)合能較低，破壞了基體的連續(xù)性，在應力的作用下很容易萌生裂紋。鋼板中的偏析條帶和夾雜物共同作用導致了輪轂的開裂。

5 結(jié)論

通過以上分析得知，裂紋在熱鍛時產(chǎn)生，由于輪轂中存在Cr、Mo等元素偏析導致了鋼板基體中存在嚴重的偏析條帶，在熱鍛時偏析條帶之間會產(chǎn)生較大的應力。同時在輪轂中還觀察到較多顆粒較大的TiN夾雜物，其與基體的界面結(jié)合能較低，破壞了基體的連續(xù)性，在應力的作用下很容易萌生裂紋。二者共同作用導致了輪轂的開裂。

[1] 王忠誠.熱處理常見缺陷分析與對策[M].北京：化學工業(yè)出版社,2012:93.