某设备驱动齿轮在使用过程中发生断齿失效现象。该齿轮材料为20CrMn钢,热处理状态为渗碳淬火+低温回火。技术要求渗碳硬化层深度为0.7~1.4mm,齿面硬度为56~60HRC,齿轮粗糙度为3.2级。本文通过对失效齿轮的宏观、微观断口形貌观察,结合齿轮材料化学成分分析、渗碳硬化层深度测量以及失效齿轮部位与其他未失效(同批次未发生断裂)齿轮部位金相组织对比等检测,最终确定了齿轮发生断裂失效的原因。
1.宏观分析
断裂失效齿宏观断口形貌如图1所示。失效齿由齿根部斜贯穿至顶部断裂,裂纹源产生于齿根处。断口较为平齐,没有明显的塑性变形特征,裂纹源附近有明显的贝纹线,因此可以初步确定该齿轮的失效模式为疲劳断裂。肉眼观察,齿轮的表面加工质量较差,齿根部和齿面存在明显的加工刀纹。
图1 失效齿宏观形貌
2.断口微观观察
将断裂失效齿置入FEI Quanta 650FEG扫描电子显微镜下进行微观断口观察。断口的低倍形貌如图2a所示,整个断口较平坦,未发现夹渣、气孔、疏松等冶金缺陷。裂纹源区形貌如图2b所示,位于齿的根部位置,源区可见多条台阶条纹,属多源且有应力集中现象。裂纹扩展区形貌如图2c、图2d所示,可见明显的疲劳辉纹,主要呈疲劳特征,此外可观察到少量的二次裂纹。最后撕裂区呈韧窝特征,如图2e所示,撕裂区面积占整个断口面积较少。
(a) 低倍形貌 (b)裂纹源区形貌
(c)扩展区形貌 (d)扩展区放大形貌(疲劳特征)
(e)最后撕裂区形貌
图2 微观断口形貌
3.化学成分
从附表中实测齿轮化学成分和GB/T 3077—2015《合金结构钢》标准中对20CrMn钢成分要求比较可知,齿轮中的Si元素含量超出标准要求。
20CrMn钢齿轮化学成分(质量分数) (%)
元素 | C | Mn | Si | Ni | Cr | Mo | S | P |
实测值 | 0.227 | 1.00 | 0.29 | 0.025 | 1.01 | 0.018 | 0.0062 | 0.016 |
标准值 | 0.17~0.23 | 0.9~1.2 | 0.17~0.23 | ≤0.03 | 0.9~1.2 | — | ≤0.035 | ≤0.035 |
4.渗碳硬化层深度检验
根据GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核》检查齿轮渗碳层的有效硬化层深度。利用VMH-I04显微维氏硬度计测试了齿面至心部的硬度,并绘制齿轮的渗碳硬化层硬度梯度曲线,试验载荷为0.49N(50gf),加载时间为10s。图3为渗碳硬化层硬度梯度曲线。由图3可见,齿轮渗碳的有效硬化层深度约为1.2mm,符合技术要求的0.7~1.4 mm。
采用洛氏硬度计对齿轮的渗碳层表面硬度进行测量,齿轮渗碳层表面硬度约为61HRC,符合技术要求的渗碳层表面硬度为56~62HRC。
图3 渗碳硬化层硬度梯度曲线
5.显微组织
采用OLYMPUS GX 71金相显微镜对失效齿轮和未失效齿轮的金相组织进行比对观察,失效齿轮和未失效齿轮试样经过4%硝酸酒精侵蚀后的金相组织分别如图4、图5所示。从图4可以看出,失效齿轮裂纹源附近金相组织为高碳马氏体+沿晶界分布的网状碳化物,且越接近表面网状碳化物越粗大;根据GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》标准,参照附录B对碳化物进行评级,网状碳化物级别为3.0级。失效齿轮心部组织为低碳马氏体+少量铁素体。
图5为未失效齿轮金相组织,齿根靠近表面附近的金相组织为高碳马氏体和粒状碳化物,未观察到网状碳化物(见图5a);心部组织为低碳马氏体+铁素体(见图5b)。
(a)裂纹源附近(25×) (b)裂纹源附近(100×)
(c)裂纹源附近(500×) (d)心部(500×)
图4 失效齿轮金相组织
(a)齿根表面附近(500×) (b)心部(500×)
图5 未失效齿轮金相组织
6.分析与讨论
齿轮渗碳的有效硬化层深度约为1.2mm,符合技术要求的0.7~1.4mm。齿轮渗碳层表面硬度约为61 HRC,符合技术要求的渗碳层表面硬度为56~62 HRC。
齿轮化学成分不符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》标准中对20CrMn钢成分要求, Si元素含量超出标准要求。钢的化学成分对零件表面质量有一定的影响。研究表明,Si多时会降低齿面硬化层表面质量,促使表面层晶界氧化,从而降低齿轮疲劳寿命。
断口宏观观察可知,裂纹源产生于齿根处,断口较为平齐,没有明显的塑性变形特征,裂纹源附近有明显的贝纹线;结合微观断口观察可见呈疲劳特征的疲劳辉纹,可以判定该齿轮的失效模式为疲劳断裂。此外,整个断口较平坦,未发现夹渣、气孔、疏松等冶金缺陷。
由金相分析结果显示,失效齿轮裂纹源区附近有沿晶界分布的网状碳化物,且越接近表面网状碳化物越粗大,与未失效齿轮金相组织(碳化物呈少量颗粒状分布)相比,失效齿轮中存在网状碳化物是由渗碳工艺不当引起的异常组织。而这种沿晶界分布的网状碳化物因其脆性较大,与基体间的界面结合力较弱,阻碍了基体间的连续性,极易造成材料脆化、塑性降低,从而使疲劳强度降低。此外,齿轮的表面加工质量较差,齿根部存在明显的加工刀纹,相当于预先存在的疲劳裂纹,这对于齿轮的疲劳总寿命来说有着极其不利的影响。
综上可知,该设备驱动齿轮失效模式为疲劳断裂,疲劳源起始于齿轮齿根处。一方面,齿根附近表面加工粗糙,存在明显的加工刀痕,易引起应力集中,产生疲劳裂纹;另一方面,齿轮渗碳工艺处理不当导致表面附近形成了沿晶界分布的网状碳化物,使材料脆性增大,疲劳强度降低;在循环载荷作用下使齿轮发生失效断裂。
来源:热处理生态圈
作者:夏申琳、王刚、李雪峰
单位:中船重工第七二五研究所
