一种Cr-Mo系齿轮钢渗碳开裂失效分析

2021-05-20傅子建

中国金属通报 2021年4期

傅子建

（马钢招标公司，安徽马鞍山 243000）

在汽车等常用运输设备中，齿轮主要用于变速器和主减速器中。齿轮在运转过程中，承担着传递动力和扭矩，啮合齿面之间承受着很高的循环接触负荷[1-3]。齿面啮合部位既存在相对滚动，又有相对滑动，使得齿面上受到复杂的作用力，同时由于齿侧间隙的存在，还会使齿面在运动中受到冲击，齿根部位受到脉冲或交变弯曲应力作用，是典型的重载工作状态，它的强度和使用寿命直接影响着汽车的承载能力和运行安全[4-7]，因此，齿轮钢的生产质量至关重要。

本文针对某新开发新型Cr-Mo系齿轮钢，渗碳淬火后出现开裂现象，通过对失效齿轮进行失效分析，确定齿轮发生失效的原因，为后续避免出现类似问题提供支撑。

1 失效齿轮分析方法

失效齿轮材料为150公斤真空感应炉冶炼，浇铸成150mm×150mm方坯，锻造成Ф80mm圆棒，正火处理后，加工成Ф40mm齿轮毛坯试样进行渗碳处理，渗碳温度为930℃，渗碳后将至860℃淬火，并对试样进行低温回火。回火后，发现试样出现裂纹。

利用线切割将断口切下，采用QUANTA450扫描电镜对断口形貌进行分析。利用线切割沿垂直于开裂部位切开，经磨、抛后在显微硬度计上对渗碳层进行维氏硬度分析，对心部进行洛氏硬度分析，并分别在3%的硝酸酒精溶液和饱和苦味酸溶液下进行腐蚀，腐蚀后在Axio Imager M2m光学显微镜对试样的组织。在ARL 4460火花放电原子发射光谱仪进行化学成分分析。

2 分析结果

2.1 化学成分

表1 是开裂齿轮的化学成分分析结果，可见，各元素含量均符技术标准要求。

2.2 渗层硬度

对开裂试样正常区域和开裂附近进行显微硬度检验，检验结果见图1。可以看出这两处的显微硬度变化非常接近，若将显微硬度高于550HV的位置判定为渗碳层，则正常区域渗碳层厚度为3.4mm，开裂附近渗碳层厚度为3.1mm，检验结果显示各部位渗碳较为均匀。渗碳层最大硬度约750HV0.2。开裂区域硬度偏低可能与检测位置接近裂纹处，存在检验误差。

图1 显微硬度检验结果

2.3 渗层组织

取渗碳后试样，研磨抛光腐蚀后观察组织形貌，并按GB/T 25744-2010进行组织评级。显微组织图2，可以看出渗碳层为针状马氏体，组织级别为4级；心部为低碳马氏体，未见游离铁素体和贝氏体，组织级别为1级；未发现异常组织。

表1 失效齿轮化学成分及要求（质量分数，%）

图2 齿轮显微组织

2.4 断口分析

图3 裂纹处解剖图

对断裂试样进行解剖观察，可见位于表面以下5mm处，宏观形貌为4mm长的细线状物。将裂纹起源处在扫描电子显微镜下观察，如图3，裂纹源在D处，放大后观察发现，细小颗粒状的夹杂带，颗粒大小在几微米到十几微米之间，夹杂物带宽度约为100μm，对夹杂物颗粒进行能谱分析，夹杂物颗粒主要为Al-Ca-Mg-O型夹杂物。

图4 裂纹源区SEM分析

3 失效原因分析及预防措施

根通过上述分析，该试样钢渗碳后的各项指标均满足要求，试样开裂是由于试样内部存在Al-Ca-Mg-O型大型夹杂物，在渗碳淬火时，较大的渗碳畸变使得材料应力较大，应力在夹杂处释放，导致试样开裂。该类型夹杂物主要为浇注水口结瘤产物，非钢水内生夹杂物，炼钢过程很难避免类似夹杂物存在，但数量极少，不影响材料的批量生产及应用。失效试样存在的Al-Ca-Mg-O型大型夹杂物可以通过超声波探伤发现，在后续生产中，可以通过严格探伤来规避此项缺陷。