主动锥齿轮22CrMoH钢开裂原因分析

孙后金，刘春明，孙亚平，孙少楠

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光262711）

1 前 言

22CrMoH钢是一种重要的高淬透性齿轮用钢，大量用于加工制造大、中型汽车的主/从动锥齿轮［1］，锥齿轮的主要特点是可以承受较大的载荷，工作过程平稳，振动和噪音小。国内某齿轮生产商在加工完成品包装或者装配阶段，发现齿轮表面存在纵向裂纹，委托山东寿光巨能特钢公司进行开裂失效分析。为研究主动锥齿轮产生开裂的主要原因，对其化学成分、宏观形貌、微观组织、断口形貌进行了一系列分析检测。

2 试验方法

用户生产锥齿轮的具体加工工艺为：原材料锯切下料→加热锻打（加热温度1 200±20 ℃）→毛坯正火（940 ℃）→机加工→渗碳淬火（温度920～930 ℃；碳势1.1～1.2，淬火油为好富顿淬火油，油温60 ℃）→试样清洗（清洗温度70～100 ℃）→低温回火（180～200 ℃）→矫直。

1）用光谱分析的方法对其化学成分进行分析，设备型号GS1000；制样方法按照GB/T 20066。

2）对裂纹周边组织及基体组织进行了金相分析，设备型号Axio Scope.A1；制样方法机械法。

3）对断口组织进行了扫描电镜分析，设备型号EVO MA25；制样方法机械法。

3 试验结果与分析

3.1 化学成分分析

对锥齿轮进行取样，用光谱分析的方法对其化学成分进行分析，化学成分结果见表1，符合22CrMoH齿轮钢的技术要求。

表1 锥齿轮的化学成分（质量分数） %

3.2 试样宏观形貌

送检样件宏观下观察该失效件表面存在纵向开裂，肉眼可见裂纹长度约16 cm，裂纹比较平直，且在表面花键根部处张开距离最大（约0.5 mm），切开后裂纹最大深度约12.6 mm。

3.3 断口宏观分析

裂纹源产生于整个花键根部皮下约2～3 mm处，裂纹从此处开裂并向左右两侧扩展形成人字形裂纹，顶端指向裂纹源。宏观观察，没有发现裂纹源及整个断口存在宏观非金属夹杂物。

3.4 高倍分析

对裂纹附近及中心基体取样进行高倍分析，如图1所示，均为淬火＋低温回火组织［2］，晶粒度均为6.5级。

对裂纹处进行高倍分析，如图2、3 所示，裂纹在皮下约2 mm 以下处裂口明显加大，裂纹尾部及端部开口相对较小，说明裂纹在渗碳层下开裂，竖直走向，向表面及内部扩展，裂纹呈锯齿形状并沿晶开裂，个别部位分叉，裂纹末端尖锐，符合应力开裂特征［3］，裂纹两侧没有明显的氧化脱碳或增碳，裂纹及附近未发现非金属夹杂物等冶金缺陷。由此认为，裂纹是在热处理之后产生的，可能是淬火裂纹。

3.5 扫描电镜分析

对裂纹源处进行扫描电镜分析，见图4。裂纹源距表面约2～3 mm，断口较平坦，呈现解理断裂特征。裂纹源呈放射状扩展，裂纹源及附近没有非 金属夹杂物等缺陷。

图1 裂纹附近及中心基体处组织

图2 裂纹附近及中心基体处晶粒度

图3 裂纹高倍形貌

图4 扫描电镜形貌

4 结 论

4.1 从裂纹的形态判断该裂纹属淬火裂纹，裂纹处没有氧化脱碳，确定裂纹是在回火之后开裂到外圆表面的，从裂纹出现的时机来看，属于放置后出现的回火延迟性裂纹，也称为置裂。

4.2 断口分析发现裂纹起源于V型花键低部皮下约2～3 mm 处，处于渗碳层和基体的过渡部位，是压应力向拉应力转变的区间，同时结合V型花键的缺口效应，这时往往引起纵向淬火裂纹。

4.3 建议增加淬火液浓度，在保证淬透前提下降低淬火冷却速度，提高回火温度及增加回火时间，减少渗碳层和基体的过渡部位残余应力，降低开裂风险。