分享：采煤机减速箱轴齿轮开裂原因分析

采煤机用渗碳齿轮钢具有良好的淬透性及冲击韧性,经渗碳淬火热处理后具有高的接触疲劳强度、疲劳极限、硬度和耐磨性[１].该钢种是一种高级优质钢,为达到优异的综合性能,热处理过程要求极严,稍有不慎就会产生各种问题[２].某公司生产的?１６０mm 规格１８Cr２Ni２WA 钢轴齿轮主要热处理工艺为:毛坯粗车 → 正火 → 调 质 处 理 → 滚 齿 → 渗碳→淬火→深冷处理→低温回火.该轴齿轮在成品进货检验过程中未见异常,而在仓库放置４个多月后发生贯穿性轴向延迟性开裂.该型号轴齿轮是采煤机减速箱关键传动件,使用过程中一旦发生失效,会对煤矿生产造成严重影响和重大经济损失.为查找该轴齿轮开裂的原因,笔者采用宏观分析、化学成分分析、力学性能试验、断口分析以及金相检验等方法,并结合轴齿轮具体加工工艺对开裂轴齿轮进行了检验和分析,并提出了改进措施.

箭头所指轴承挡台阶处有一个宽约３ mm 的退刀槽,轴径及表面粗糙度均在该处发生突变.观察轴轮齿断口,可见断口平坦,局部有小凸起,边缘均呈不同程度放射状,由裂纹宏观形貌以及断口形貌可判断,该轴齿轮内应力较大.沿轴齿断口平行面取样,如图３所示,经检测整个截面未见缺陷.

１．２ 化学成分分析

在失效轴齿轮上取样,采用 ARL３４６０ 直读光谱 仪分析其化学成分,结果见表１,可见其各元素含量均符合 GB/T３０７７－２０１５对１８Cr２Ni２WA 钢成分的技术要求.

１．３ 力学性能试验

在开裂轴齿轮花键端近１/２半径处取样,分别对其进行拉伸试验和冲击试验,结果见表２,可见轴齿轮的各项力学性能均符合相关企业标准要求.由冲击试验结果可知,该齿轮的韧性较好.

对轴齿轮齿部进行硬度及有效硬化层深度检测,齿面及齿顶硬度为 ５９~６１ HRC,心部硬度为３６~３９HRC,零件齿部节圆附近有效硬化层深度为１．６５mm,均符合该轴齿轮图纸技术要求.

１．４ 断口分析

在轴齿轮裂纹源处取样进行超声波清洗,采用HITACHISＧ３４００N 扫 描 电 镜 观 察 其 形 貌,结 果 如图４所示.可见裂纹源处断裂方式以沿晶为主,在沿晶面上存在较多发纹,呈典型脆性断裂特征,未见明显夹杂物;图４b)中局部可见碎块状断口形貌特征,断裂晶面上出现较明显层片状特征,局部呈现鸡爪纹形貌,上述均为典型的氢致损伤缺陷微观形貌特征.

观察图４c)可发现,断裂面局部区域在断裂过程中形成较多韧窝,沿晶断裂与撕裂棱上的韧窝共存也是氢致开裂的特征之一.高倍下观察可见断面存在氧化,推测可能是试样开裂后存放过程中空气氧化所致.

扩展区断口形貌如图５所示,可见扩展区断裂也是以沿晶断裂为主,未发现明显夹杂物,断口呈现沿晶、准解理和韧窝的混合断裂形貌,局部区域存在二次裂纹.图５b)中断裂晶面上氢致延迟裂纹断口的层片状特征明显.

１．５ 金相检验将断口 试 样 垂 直 断 裂 面 制 成 金 相 试 样,采 用NEOPHOTＧ２１型光学显微镜进行观察,抛光态下未见异常夹杂物,腐蚀态下断口边缘未见氧化脱碳.近轴表面裂纹源处观察到微裂纹,如图６所示,裂纹呈沿晶分布,并与断裂面大体平行,裂纹周边未见脱碳,亦无夹杂物.

在裂纹源附近从轴齿轮渗碳表面到心部方向取样,并进行显微组织观察,发现渗碳表面显微组织为隐针马氏体＋残余奥氏体＋黑色网状非马氏体组织[３],如图７a)所示,渗碳表面未见氧化脱碳.近表的显微组织如图７b)所示,为细针状马氏体＋隐针马氏体＋残余奥氏体＋黑色网状非马氏体组织,表层非马氏体组织为异常组织,其含量由表层向内层逐渐减少.图７c)为抛光态未侵蚀表层试样的微观形貌,可见零件渗碳表面有晶间氧化现象.轴齿轮心部显微组织如图８a),b)所示,图８a)

处为粗大板条马氏体和贝氏体,图８b)处为贝氏体和板条马氏体.上述两处显微组织晶粒度差异较大,说明零件心部显微组织不均匀.通过了解轴齿轮热处理工艺,除花键采取防渗碳措施外,其他部位均进行渗碳处理,笔者对轴端和齿部从渗碳表面到心部组织都进行了显微组织观察,发现二者组织状态基本一致.

低倍下检查存在裂纹部位,并取样进行金相检查,如图９所示.裂纹头部尖细,呈沿晶扩展形貌,具有显著的应力性裂纹特征,非原材料裂纹.侵蚀后形貌如图９c)所示,裂纹两侧未见氧化脱碳现象,显微组织为贝氏体和板条马氏体.

２ 分析与讨论

由上述理化检验结果可知,失效轴齿轮的化学成分、力学性能、硬度及有效硬化层深度均符合相关标准技术要求.试样宏观检查结果表明,零件裂纹源位于大齿一侧轴承挡根部退刀槽附近.裂纹源区域平整呈扇形,断面接着扇形裂纹源区呈放射状向四周扩展,最终发生纵裂贯穿轴齿轮全长.由此以可判断,该轴齿轮内应力较大.由断口微观形貌分析可知,裂纹源处断裂方式以沿晶断裂为主,在沿晶面上存在较多发纹,呈典型脆性断裂特征,未见明显夹杂物.断口局部可见碎块状断口形貌特征,断裂晶面上出现较明显的层片状特征,局部呈现鸡爪纹形貌,上述均为典型的氢致延迟开裂特征.扩展区断裂方式也是以沿晶断裂为主,未发现明显夹杂物,断口呈现沿晶、准解理和韧窝的混合断裂形貌,局部区域存在二次裂纹.由金相检验结果可知,零件渗碳表层显微组织为隐针状马氏体＋残余奥氏体＋黑色网状非马氏体组织,非马氏体组织为异常组织,经

对未侵蚀的渗碳表面试样进行观察确认,该异常组织由晶间氧化造成,该组织是合金钢在渗碳气氛中加热时,表面与气氛中的二氧化碳、氧气、水蒸气相互作用而产生的.晶间氧化使表层奥氏体中的合金元素贫化,降低奥氏体稳定性,在后续淬火冷却过程中奥氏体转变为屈氏体、贝氏体等非马氏体组织.该类组织基本分布在晶界上,含量由表层向内层逐渐减少.研究表明[４Ｇ５],晶间氧化层愈深,表面张力愈大,同时晶间氧化产生的黑色网状非马氏体组织与其他基体组织存在形变差异.因此在淬火过程产生的表面拉应力及氢的共同作用下,存在非马氏体组织显微的晶界处极易产生应力集中,进而导致微

裂纹的产生.

经观察,零件心部显微组织为贝氏体和板条马氏体,局部有粗大板条马氏体存在,或为加热过程中晶粒长大导致.结合加工方给出的热处理工艺,轴齿轮渗碳后在炉内缓冷１h后加热淬火,在该工艺下易使组织晶粒粗大,还会使大量奥氏体得以遗留,导致渗碳层残余奥氏体含量增多,同时粗大的组织易使材料的抗断强度有所降低[６Ｇ７].

通过低倍检查裂纹部位,发现裂纹头部尖细,呈沿晶扩展形貌,具有显著的应力性裂纹特征,非原材料裂纹.裂纹两侧未见氧化脱碳现象,裂纹两侧组织为贝氏体和板条马氏体.

该采煤机减速箱轴齿轮为仓库存放期间在未受外力情况下,发生的延迟性开裂,该齿轮内应力较大,裂纹沿齿轮轴纵向分布,横向已穿透轴中心,裂纹整体平直,呈张开型,具有显著应力性裂纹特征,裂纹周围未发现明显夹杂物及脱碳;裂纹源区以沿晶断裂为主,呈现明显氢致延迟性开裂特征.氢致延迟断裂是由于材料本身、环境条件及应力作用下而产生的一种断裂现象,应力集中和氢的聚集是高强度合金钢发生氢致延迟断裂的必要条件[８Ｇ９].目前,在气体渗碳中还没有不渗氢的渗碳方法,因此渗碳过程必然伴随有渗氢过程.轴齿轮在热处理应力作用下,处于材料点阵间隙中的氢原子向存在非马氏体组织形成的应力集中部位扩散,并聚集在晶界处,氢的聚集使晶界表面能降低,晶界进一步脆化,导致微裂纹的产生.产生微裂纹后,降低了裂纹端的氢含量,新的高应力集中区又形成,应力作用使氢再度扩散聚集至应力集中区,裂纹扩展发生在氢含量达到临界值时,这一过程持续进行.在氢和应力交互作用下,形成氢致延迟裂纹.加之后续回火不充分,未有效消除残余内应力,各种应力在裂纹源处产生集中,并在最有利于释放能量、产生开裂的微区不断加剧,当应力超过材料抗拉强度时便失稳发展成为宏观纵向裂纹,随着应力释放裂纹不断扩展,最终导致轴齿轮开裂.

３ 结论及建议

该轴齿轮裂纹为氢致延迟裂纹,在氢和内应力的共同作用下,在轴齿轮表层非马氏体组织所在的应力集中部位产生微裂纹,加之后续回火不充分,微裂纹不断扩展,最终导致轴齿轮纵向开裂.建议轴齿轮在渗碳装炉前需清理炉内残余物,检查渗碳炉密封性,并在渗碳初期低温状态时滴入适量煤油,使炉内处于高碳势,还原炉内的氧化性气体,有效防止渗碳晶间氧化现象;同时根据齿轮使用要求,选择最佳渗碳工艺,通过控制通气量和通气时间,以控制炉内气氛中的氢含量.建议工艺允许的

情况下,将渗碳后热处理工艺改为渗碳后空冷＋高温回火＋淬火处理,消除零件基体组织晶粒长大现象.该轴齿轮内应力较大,可能与该零件经深冷处理后回火不充分有关,在保证轴齿轮性能情况下建议适当提高回火温度和保温时间,消除内应力,同时降低材料的氢脆敏感性。