20CrMnTiH钢差速器齿圈局部断齿原因分析

邵瑞勇　申磊

摘 要：对断裂的20CrMnTiH差速器齿圈的材料、断口进行了分析检测。结果显示，化学成分符合标准要求，金相分析、硬度检验显示热处理过程正常。通过对裂纹渗碳层情况综合分析和对锻造过程进行排查，认为该裂纹为锻造过程导致，其原因与原材料表面缺陷有关。

关键词：锻造折叠；渗碳层；断口；表面缺陷

中图分类号： TG115.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-171-2

0 引言

差速器齿圈是汽车重要的传动部件，需承载较大的交变应力，要求具有较高的强度和韧性。某汽车差速器齿圈装车行驶3000km后两个齿发生断裂，见图1所示。该差速器齿圈选用20CrMnTiH，具体工艺流程为：原材料入厂—锻造—正火—机加工—热处理—清洗。本文通过断裂齿进行化学成分、显微组织、宏微观断口分析，找到造成该差速器齿圈断齿的主要原因，并提出相应改进措施。

1 试验材料与方法

首先对断口进行宏观和微观形貌分析，判断断裂起源部位和断裂的性质。然后在断裂部位取样，为了通过扫描电镜进行断口容貌及微观形貌分析，将齿轮截为3断。将试样1低温切割为沿着差圈钢材的轧制方向，在断裂部位进行切割，为纵向试样1a和试样1b，主要检测其非金属夹杂物，带状组织和流线等材料组织缺陷。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分分析

在齿轮试样3的本体上进行了取样，对其化学成分进行了检测，结果见表1，检测结果符合GB/T5216-2014《保证淬透性结构钢 》要求。

2.2 硬度检验

试样1a齿面硬度检测其HV为831.11正常；试样1b的断裂最深处进行了两次取样，分别为HV145.81和HV139.449，说明该组织硬度非常低，疑似夹杂物或其它不明组织；

对试样2的a处进行硬度检测，在疑似夹杂物或其它不明组织处，检测硬度为HB142.56，然后在试样2的心部组织处任意位置取样，测得其硬度为HV326.50，在疑似夹杂物或其它不明组织的混合处取样，测得其硬度为HV226.289。

2.3 金相检验

对试样1a的平直裂纹和拐角裂纹处，均检测到渗碳层。

对试样1a的断裂面进行高倍观察，发现渗层组织为回火马氏体+残余奥氏体+碳化物，过渡层组织为粗针状马氏体、碳化物加残余奥氏体，且裂纹处无脱碳现象。对试样1a的断裂最深处进行高倍观察，发现存在大量白色的不明组织。

对试样2的b处进行观察，发现存在大量白色的不明组织，对其高倍观察可能为铁素体或残余奥氏体，呈明显晶界，该试样其它部位的板条状马氏体组织与其相连，在部分区域甚至出现以上两种组织的混合。

3 讨论

3.1 断口分析

使用MODEL D-4800的场发射扫描电子显微镜对试样1进行宏观形貌观察，发现其中心断裂面为准解理面，有河流状或舌状花纹；外断裂面表现为沿晶断裂，存在少量球状物和断裂韧窝。

对试样2进行宏观形貌观察，发现其裂纹贯穿视场，裂纹处存在明显得颜色差异；在裂纹的红圈处放大，偏向于脆性断裂，断裂较为平直。试样2的另外一处裂纹，表现为部分拉伸韧窝，更偏向于韧性断裂。

对试样3进行宏观形貌观察，发现其裂纹是挤压形成的，未形成大范围的扩展裂纹，其断裂面表现为受挤压后重新组合在一起。

以上分析指向试样1中心断裂面可能是断裂源，其外断裂面是伴随断裂，表现为沿晶断裂；试样2的主裂纹偏向于脆性断裂，侧面另外一条裂纹偏向于韧性断裂；试样3未形成大范围的扩展裂纹，其断裂面表现为受力挤压后重新组合。

3.2 金相检测分析

本文中发生裂纹的齿轮试样1a，发现其平直裂纹和拐角裂纹处，均检测到渗碳层，推测其裂纹可能发生在热处理之前。毛坯在机加工之后，将夹杂在锻件中的夹杂物或不明组织显现出来，经过渗碳淬火后，夹杂物或不明组织形成小的孔洞或裂纹，因此，表现为渗碳淬火后其裂纹出现渗碳层。

4 结论与建议

①该差速器齿圈断齿缺陷产生于锻造过程，原因为锻造时坯料表面存在划伤，锻造后嵌入表面形成缺陷。

经过机加工后，表面缺陷暴露萌生疲劳裂纹源，在渗碳淬火后的热应力及组织应力作用下裂纹扩展。当齿轮收到啮合的交变应力作用下，缺陷部分齿面发生断裂失效。

②加强棒材轧制控制和表面探伤精整来提高表面质量，锻造厂在原材料入厂时加强外观质量检验，对圆钢头部增加切除量，建议切除长度在直径的一倍以上。

参 考 文 献

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