分享：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) 

摘 要:某装载机用内齿圈成品在搬运过程中意外跌落并发生脆断。采用宏观观察、断口分析、 化学成分分析、低倍检验、金相检验等方法对其断裂原因进行了分析。结果表明:不当的辗环工艺 导致内齿圈形变过烧,进而在其心部出现大量呈周向分布的细小孔洞和裂纹;机加工使材料心部的 缺陷暴露出来,并在随后的渗氮处理中生成了大量的脉状组织,极大地增加了内齿圈的脆性,最终 导致内齿圈在跌落时发生脆断。

关键词:内齿圈;脆断;孔洞;形变过烧

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)07-0045-03

某装载机用内齿圈材料为35CrMo钢,制造工 序为:原材料锯料→(1150±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。

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。

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/T3077—2015 《合金 结构钢》对35CrMo钢的要求。

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。

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6.0,5.0,6.0J,而内齿圈冲 击吸收能量的技术要求为不小于70J。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0.6mm,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。

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/T3077—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] ΔT = η·K·v m εσ0·εp ρ·c (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。 

参考文献: [1] 张菊水.钢的过热与过烧[M].上海:上海科学技术出 版社,1984. [2] 周恩明.42CrMo钢制螺栓断裂失效分析[J].金属热 处理,2019,44(11):241-244. [3] 王运玲,刘桂江,王学惠,等.18Cr2Ni4WA 钢锻件断 裂分析[J].热加工工艺,2018,47(23):257-258. [4] 盛虹伟,李德江.塑性变形温升对合金钢锻造的影响 [J].石油矿场机械,2000,29(6):46-47. [5] 邱冬华,黄诚,吴君三,等.42CrMoL钢环锻件形变过 烧的研究[J].金属加工(热加工),2012(13):62-64. [6] 金林奎,赵建国,王春亮.法兰套管件调质处理开裂原 因分析[J].理化检验(物理分册),2015,51(7):504- 507. [7] 张全新.3Cr20Ni11Mo2PB钢气阀断裂原因分析[J]. 理化检验(物理分册),2013,49(2):127-129.