某装载机内齿圈断裂原因

陈凯敏, 樊 洋, 赵 宜, 乔建勇

(浙江机电职业技术学院, 杭州 310053)

某装载机用内齿圈材料为35CrMo钢，制造工序为：原材料锯料→(1 150±30) ℃加热→锻造→冲孔→辗环→正火→粗车→调质(830～860 ℃油淬+600～650 ℃回火)→精车→插齿→氮化。在其成品搬运过程中，内齿圈意外跌落并发生断裂。为确定该内齿圈断裂的原因，笔者对其进行了一系列的理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察及断口分析

该内齿圈及其断口的宏观形貌如图1所示。由图1可知：断口从齿根部位沿径向扩展，断口平整未见明显起伏，呈一次性断裂的特征。

图1 内齿圈及其断口宏观形貌

在内齿圈断口处取样，对其进行超声清洗后用S-3400N型扫描电镜(SEM)观察，结果如图2所示。由图2可知：断口中心区域存在许多细小孔洞，孔洞表面呈现类似自由结晶状形貌，孔洞内还存在众多晶界裂纹，局部可见晶界熔融痕迹。

图2 内齿圈断口SEM形貌

1.2 化学成分分析

在断裂内齿圈上取样，采用CS800型红外碳硫分析仪和iCAP6300型电感耦合等离子体发射光谱仪对其进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：其化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对35CrMo钢的要求。

表1 断裂内齿圈的化学成分 %

1.3 低倍检验

从断裂内齿圈的不同方位，每间隔120°取径向截面进行低倍检验，其低倍组织形貌如图3所示。由图3可知：试样截面中部区域存在大量的孔洞类缺陷，齿根至心部存在通道，边缘周围完好未见异常。将试样进行低倍酸蚀，发现这些孔洞扩大并形成了一个较大的腐蚀坑，这说明内齿圈整个环形区域截面的心部均存在细小的孔洞类缺陷。

图3 内齿圈径向截面低倍形貌

1.4 冲击试验

从断裂内齿圈上取样，采用JBN-300B型冲击试验机对其进行冲击试验。结果显示：断裂内齿圈的冲击吸收能量分别为6.0，5.0，6.0 J，而内齿圈冲击吸收能量的技术要求为不小于70 J。由冲击试验结果可知：该内齿圈脆性较大，极易在承受冲击载荷的情况下发生脆性断裂。

1.5 金相检验

从断裂内齿圈上取径向截面试样，采用Observer.Alm型光学显微镜对试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：试样心部存在大量孔洞类缺陷，在孔洞边缘发现大量的脉状氮化物组织；正常区域的氮化层深度约为0.6 mm，表面为白亮的化合物层，表层为回火索氏体；心部为回火索氏体+少量铁素体组织，其晶粒度约为7～8级，为内齿圈正常的热处理组织，表明该内齿圈热处理工序正常。

图4 内齿圈径向截面显微组织形貌

2 综合分析

由上述理化检验结果可知：该装载机内齿圈的化学成分符合GB/T 3077—2015的标准要求；齿轮表面氮化组织、心部组织均符合技术要求，表明其热处理工序正常。

由断口形貌分析结果可知：该内齿圈的径向截面中心区域存在大量的细小孔洞类缺陷，孔洞表面呈类似自由结晶状形貌，而孔洞内存在众多晶界裂纹，局部可见晶界熔融痕迹，与过烧缺陷[1-3]的特征相符。

由低倍检验结果可知：内齿圈不同方位的径向截面中心区域均存在大量的细小孔洞类缺陷，齿根至心部存在通道，边缘轮廓完好未见明显缺陷，表明缺陷主要集中于截面心部；此外，内齿圈整个环形区域的径向截面心部均存在细小孔洞类缺陷，边缘轮廓未见异常，齿坯周围不存在缺陷，表明该内齿圈心部的过烧缺陷与加热工序无关。

由金相检验结果可知：在断裂内齿圈径向截面心部存在大量细小孔洞类缺陷，而孔洞边缘发现有众多脉状氮化物组织，呈现河流状，这表明氮化处理前心部孔洞已与齿轮表面相通，并且心部的孔洞处也因发生氮化而生成了氮化物。

材料过烧往往产生于加热、锻造及辗环等工序中。加热工序产生的过烧往往是由表及里，且主要表现为网裂、沿晶氧化等[1-4]。在低倍检验中，边缘轮廓未见异常，整个齿坯周围不存在缺陷，表明该内齿圈心部的过烧缺陷与加热工序无关。锻造过程中产生的过烧特征往往与加热过程中形成的特征相似，正火与调质工序的加热温度均较低，因此锻造过程中基本不会形成心部过烧，并且内齿圈心部的孔洞类缺陷在氮化工序之前就已存在，此外，正常部位的晶粒度和显微组织也证实了内齿圈心部过烧不是在这段时间产生的。基本可以确定内齿圈径向截面心部孔洞缺陷产生于辗环工序。

金属因塑性变形引起的锻造温度变化(ΔT)的计算公式为[4]

(1)

式中：η为排热率；K为综合影响系数；vε为应变速率；m为变形速率影响指数，与钢材种类和变形温度有关；σ0为基准流动应力；εp为变形体的等效应变增量；ρ为变形体的密度；c为变形体的比热容。

当钢材种类确定后，变形体的密度、变形体的比热容、排热率、综合影响系数等参数为定值，影响锻造温度变化(ΔT)的因素仅为应变速率、变形速率影响指数、流动应力和等效应变增量，并与之正相关。此外，在选定设备后应变速率、变形速率影响指数、流动应力和等效应变增量均与变形量和变形速率相关，因此温度变化为较大变形量及变形速率下能量转换的表现。

在对内齿圈原材料进行辗环工序时，由于加热温度较高，接近固液相转变点，若此时的变形量和变形速率过大，极易使材料的局部温度升高，当局部温度达到或超过液相点时，就会发生“形变过烧”。“形变过烧”往往出现于材料的内部，其表现为孔洞类缺陷，且局部具有疏松的特征，此外还会出现晶界熔融的痕迹[5-7]。

内齿圈原材料产生的孔洞及疏松类缺陷在形变载荷的作用下会发展成为细小裂纹，最终在内齿圈周向心部形成环形的细小孔洞及裂纹，在随后的插齿过程中，缺陷“露头”。当对材料进行氮化处理时，氮化气氛沿孔洞及裂纹进入心部，导致心部孔洞和裂纹区域产生脉状氮化物，极大地增加了内齿圈的脆性，最终在跌落时内齿圈因受冲击载荷作用而发生脆断。

3 结论及建议

不当的辗环工艺导致内齿圈产生形变过烧，进而在内齿圈心部产生了大量细小的孔洞及裂纹缺陷，机加工使心部缺陷“露头”，并在随后的氮化处理中生成了大量的脉状组织，进一步增加了材料的脆性，降低了内齿圈的抗冲击性，使其在跌落时稍受冲击，载荷便会发生脆断。

建议加强对锻料加热温度的控制，并对辗环工艺进行优化。