1、内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n质量与检修2 0 C r M n T i齿轮开裂失效分析张 涛,王利眉,姚 毅(中车眉山车辆有限公司,四川 眉山 6 2 0 0 2 0)摘 要:2 0 C r M n T i钢制从动齿轮运行过程中出现早期开裂,笔者采用化学成分分析、宏观及金相检验、洛氏硬度检测、扫描电镜分析等方法,对从动齿轮开裂原因进行了分析。结果表明:齿轮采用原材料质量较差,存在硫含量超标及网状硫化物型夹杂物超标,材料脆性增大,严重降低该齿轮强韧性,是导致其早期断裂的主要原因;齿轮几何形状特性及圆孔加工质量较差,渗碳调质工艺未采取保护措施导致的残余应力影响,则是导致齿轮在
2、圆孔位置断裂的诱因。最后提出改进意见,以防止此类事故的再次发生。关键词:齿轮;扫描电镜;夹杂物;开裂 中图分类号:TH 1 3 2.4 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 6 1-0 3F a i l u r eA n a l y s i so nC r a c k so f2 0 C r M n T iG e a rZ h a n gT a o,W a n gL i-m e i,Y a oY i(C R R CM e i s h a nC o.,L t d,S i c h u a nM e i s h a n6 2 0 0 2 0)A
3、 b s t r a c t:E a r l yc r a c k i n go c c u r r e d i n2 0 C r M n T i s t e e ld r i v e ng e a rd u r i n go p e r a t i o n.C h e m i c a l c o m p o s i t i o na-n a l y s i s,m a c r o s c o p i c a l a n dm e t a l l o g r a p h i c i n s p e c t i o n,R o c k w e l lh a r d n e s st e s ta
4、 n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n a l y s i sw e r eu s e d t oa n a l y z e t h e c r a c k i n gc a u s e so f d r i v e ng e a r.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h eq u a l i t yo f r a wm a t e r i-a l su s e df o r t h eg e a r i sp o o r,t h es u l f u rc o n t e n t
5、e x c e e d s t h es t a n d a r da n dt h en e t w o r ks u l f i d et y p e i n c l u s i o ne x-c e e d s t h es t a n d a r d,t h eb r i t t l e n e s so f t h em a t e r i a l i n c r e a s e s,a n dt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f t h eg e a r i ss e r i-o u s l yr e d u c e d,w h
6、 i c hi s t h em a i nr e a s o n f o r i t s e a r l y f r a c t u r e;T h e i n f l u e n c eo f r e s i d u a l s t r e s s c a u s e db y t h ep o o rg e o m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fg e a r sa n dt h ep r o c e s s i n gq u a l i t yo fr o u n dh o l e s,a n dt h ef a i l u
7、 r et ot a k ep r o t e c t i v em e a s u r e s i n t h e c a r b u r i z i n ga n d t e m p e r i n gp r o c e s s,i s t h e i n d u c e m e n t o f t h eg e a rb r e a k i n ga t t h e r o u n dh o l ep o s i-t i o n.F i n a l l y,s u g g e s t i o n s f o r i m p r o v e m e n ta r ep u t f o r
8、w a r dt op r e v e n t t h er e c u r r e n c eo f s u c ha c c i d e n t s.K e yw o r d s:G e a r;S c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e;I n c l u s i o n s;C r a c k i n g作者简介:张涛(1 9 7 6),男,四川射洪人,工程师,大学本科。主要从事铁道货车产品的理化检测及质量分析工作。2 0 C r M n T i钢是在低碳钢基础上添加C r、M n、T i元素,进行表面碳氮共渗后具有较高的强硬度及
9、韧性,广泛运用于齿轮、轴类、活塞类等各种零部件制作,研究其质量具有重要意义。在某厂生产的材质为2 0 C r M n T i的钢制从动齿轮装机运行7 2小时后发出异响,经过排查后发现该型齿轮出现早期断裂,见图1。该齿轮制造工艺流程为:棒材下料镦造成型去应力正火机加工定型碳氮共渗淬火低温回火。正火工艺为:9 2 0保温2 h,空冷;碳氮共渗工艺为:9 2 0渗碳,渗碳后炉冷至8 7 0保温2 h油冷,2 0 0低温回火2 h。产品技术要求为:渗层深度0.50.8 mm;表面硬度5 66 2 HR C,心部硬度3 54 0 HR C。为防止批量事故发生,笔者对该齿轮断裂原因进行分析,提出改进意见,
10、避免类似事故再次发生。1 理化检验采用德国0 B L FQ S N 7 5 0型光谱仪分析其心部化学成分,用荷兰I NN OVA T E S T型洛氏硬度计进行硬度检测,用德国蔡司E V O1 8型扫描电镜进行断口扫描,蔡司A x-i o v e r t 2 0 0M MA T型金相显微镜进行金相检验。1.1 化学成分检测由于该齿轮进行表面处理,取心部进行化学成分分析,执行标准为G B/T 4 3 3 6-2 0 1 6碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法),分析结果见表1,其化学成分中硫含量稍微高出标准G B/T3 0 7 7-2 0 1 5合金结构钢所规定的标准
11、值。图1 断裂位置表1 齿轮化学成分及标准值(质量分数,%)元素CS iM nSPC rC uT iN iM o标准要求0.1 70.2 30.1 70.3 70.81.1 00.0 3 00.0 3 01.0 01.3 00.3 00.0 40.1 00.3 00.3 0测定值0.2 00.2 71.0 00.0 3 30.0 1 51.2 00.0 30.0 5 50.0 20.0 116DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0242 0 2 3年第9期1.2 硬度检测在齿轮各部位进行表面及心部硬度检测见表2。从表2可知,硬度满足技术条件要求。表2 齿
12、轮硬度检测结果及技术要求(H R C)硬度值表面心部位置技术要求5 8-6 43 5-4 0测定值5 8.63 5.8齿顶5 9.43 6.0齿内平台1.3 金相检验1.3.1 非金属夹杂物截取临近断裂齿轮的齿平行面和垂直面分别进行取样,将试样打磨抛光至镜面后在金相显微镜下观察夹杂物分布,夹杂物分布如图2、图3所示。短条状灰(黑)色的夹杂物呈网状分布在基体上,2 0 C r M n T i钢种中的主要夹杂物为硫化物与氧化物1,2,结合化学成分分析中S元素含量超标可判断图2中夹杂物为硫化物。因其形态(未轧制变形)不适用其推荐标准,即齿轮用热轧棒执行标准G B/1 0 5 6 1-2 0 0 7,
13、故参考T B/T2 4 5 1-1 9 9 3铸钢中夹杂物金相检验评级标准进行评级,评定为3级。非金属夹杂作为钢中的第二相杂质,在基体中会严重影响基体的连续性。该批次齿轮所用原材料为热轧圆钢,其硫化物夹杂物形态因轧制变形应呈条状,而不是呈网状分布,网状夹杂物分割材料基体,在外载荷的作用下,微观尺度上存在应力不均匀,缺陷处产生应力集中,进而萌生裂纹,继而严重降低材料的强塑性指标。该批次齿轮所用原材料存在轧制比过小,夹杂物形态差,头尾端去除不足等质量问题。放大倍数:2 0 0图2 齿轮非金属夹杂(a平行于齿轮表面)放大倍数:2 0 0图3 齿轮非金属夹杂(b垂直于齿轮表面)1.3.2 微观组织因该
14、断裂齿轮采用碳氮共渗淬火+低温回火工艺,分别在裂纹齿部及相邻断裂部位取样,将试样打磨抛光至镜面,采用4%硝酸酒精腐蚀5-1 0 s后在金相显微镜下观察。并测量齿轮表面共渗层深度、对共渗层金相组织评级以及微观裂纹检测。如图4所示,齿轮显微组织从表面至心部为高碳针条状马氏体+网状(条状)渗碳体,逐渐过度为针条状马氏体+残余奥氏体,最后为回火板条状马氏体,其中基体中存在明显可见的夹杂物,其中表面组织及心部组织按J B/T9 2 1 12 0 0 8中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级评为4-5级,渗碳层组织满足技术要求,渗碳淬火工艺正常。1.3.3 渗层检测渗层深度检测采用金相法,依据标准为G B/T1
15、 1 3 5 4-2 0 0 5钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验,检测结果齿顶部位约0.3 5 mm,齿根部位约0.3 0 mm,不满足技术条件规定的0.5 00.8 0 mm深度要求。渗层金相评级按标准Q C/T 2 9 0 1 8-1 9 9 1汽车碳氮共渗齿轮金相检验评级,其中碳氮化合物评级为45级,残余奥氏体及马氏体评级为4级,见图5。放大倍数5 0 0浸蚀剂4%HNO3酒精溶液图4 齿轮表面组织放大倍数5 0 0浸蚀剂4%HNO3酒精溶液图5 齿顶组织图1.3.4 微观裂纹检验断口垂直面存在平行于断口方向、深度约0.3 mm的扩展裂纹 一 条,见 图6;在 相 临 齿 根 部 位
16、,距 离 表 面0.1 5 mm处发现长度约为0.2 5 mm的毛细裂纹一条,裂纹终点位置距离齿根表面约0.4 mm,沿硬化层扩展至齿根表面中止,见图7。图6 毛细裂纹1图7 毛细裂纹22 断口分析2.1 宏观断口分析断裂齿轮断口宏观形貌见图1、图8、图9,断口表面呈灰黑色,未见陈旧性裂纹及缺陷等,断口表面干净无锈蚀氧化物等腐蚀物,为贯穿性单一裂纹,无肉眼可见扩展裂26内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n纹。分析裂纹起源于定位销孔靠近齿顶部位(图8),分别向上向下扩展,最后向上断裂在受力最大的齿根部位,向下贯穿整个径向厚度方向截至与内孔,最终断裂区形貌因应力巨大呈现出撕裂台阶(图9)。齿轮表面进行了碳氮共渗处理,表面组织与心部组织存在差异,断裂时在断裂边缘处呈现脆性解理断裂,微观形貌见图1 1。图8 宏观断面1图9 宏观断面2图1 0 扩展区S EM形貌图图1 1 瞬断区S EM形貌图2.2 微观断口分析图1 2 断口微观形貌图1 3 起源部位微观形貌断裂起源处为穿晶脆性断裂,晶界处存在内裂纹。裂纹扩展的心部韧性断裂,局部存在准解理断裂。最后断裂区因应力巨大表现为穿晶脆
