18CrMnNiMo齿轮磨削裂纹及淬火裂纹失效分析

黄建斌,彭振,王从曾,张连宝

(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100022)

摘要:分析了取自失效齿轮的样品,结果表明,渗层组织中残留奥氏体过多、马氏体粗大以及非金属夹杂物的存在是产生磨削裂纹的原因;淬火应力大,夹杂物作为裂纹源是淬火裂纹的主要原因,而齿轮的尺寸结构也是造成淬火裂纹的原因。

关键词:磨削裂纹;淬火裂纹;夹杂物

某机械厂重载减速器齿轮使用的材质是18CrMnNiMo,其工艺流程是:下料→锻造→一次正火→粗加工→二次正火→精加工→渗碳淬火→磨齿。渗碳淬火工艺为:940℃渗碳→900℃和860℃两段均温缓冷后空冷→560℃高温回火→830℃淬火,最后在180～240℃回火两次。渗碳淬火后,有个别的齿轮开裂,具体部位如图1(a)所示;磨齿后几乎所有齿轮的齿面都有磨削裂纹,其分布如图1(b)所示。

图1 齿轮裂纹部位示意图

1  检测分析过程

试样取自渗碳淬火后开裂的圆柱斜齿轮轮齿及淬火裂纹部位(渗碳淬火后未回火),用奥林帕斯金相显微镜分析渗层组织;用洛氏硬度计及显微硬度计测试硬度;用手工金相法分析表层组织含量;用金相显微镜评级鉴别夹杂物。此外,按资料[1]介绍的方法确定材料中是否存在氢,即试样放入加热的凡士林中,观察其中有无气泡产生。

测试中所参照标准有:JB/T6141.3-92重载齿轮渗碳金相检验,GB/T10561-1989钢中非金属夹杂物显微评定方法,GB/T15749-1995定量金相手工测定方法。

2  检测分析结果

2.1  渗层及心部组织

表层为针状淬火马氏体和大量残余奥氏体,见图2(a)、(b);碳化物极少,马氏体和残余奥氏体级别相当于Ⅳ～Ⅴ级,残余奥氏体含量为36%,碳化物级别相当于0～1级;心部为板条马氏体,有效硬化层深度为2.2mm。

2.2夹杂物的分布及类型

夹杂物在整个视场内的分布见图3,多为脆性的硅酸盐类和球状氧化物的脆性夹杂,夹杂级别A1、B2e和D3e。脆性夹杂物大多约8～20μm,见图3(b),个别呈链状分布,见图3(c)中部。

图3  齿轮渗碳层中的非金属夹杂物(球状氧化夹杂和块状硅酸盐类夹杂)

2.3表面硬度及硬度分布渗层硬度分布见图4。

图4 齿轮渗碳层的硬度分布

2.4氢含量

整个实验过程中试样中无氢气逸出,说明齿轮中不含氢。

3  失效机理分析

3.1  18CrMnNiMo齿轮产生磨削裂纹的主要原因

由图2和图3可看出,钢中的残余奥氏体量很大,经手工金相法测得的相对量是36%。在磨削过程中齿面沿齿长方向受到砂轮的切削作用——拉应力,而且磨削力和磨擦热的作用使表层的残余奥氏体转变为马氏体产生体积膨胀,由于里层较硬部位对马氏体的阻碍又增加了表面层的拉应力,这样因为拉应力的迭加而导致其超过材料的屈服极限产生磨削裂纹;其次针状马氏体组织内应力大,其显微裂纹是裂纹源;再次处于表层的脆性夹杂物在加工过程中不变形,本身是裂纹源。以上几个原因就导致了绝大部分18CrMnNiMo钢齿轮渗碳淬火后齿面都出现磨削裂纹。

3.2  18CrMnNiMo齿轮渗碳淬火开裂的原因

经检测材料中没有氢,因此可以排除氢脆导致的淬火开裂的可能。导致淬火裂纹的原因是:

(1)淬火应力和夹杂物渗碳后的齿轮表层含碳量高,相变温度低,马氏体相变体积大;而心部含碳量低,相变温度高,马氏体相变体积小。因此,淬火过程中首先是心部转变为马氏体,由于心部的相变温度较高,齿轮内部的温度则更高,产生的相变应力会被驰豫掉,但表面所受的拉应力会保留下来。继续冷却,表层开始发生马氏体转变,由于马氏体含碳量高,体积胀大更明显,但此时心部组织转变已完成,变形抗力大,限制、阻碍表面的马氏体向外胀大,因而表面就产生了较大的压应力,而在心部则相应的出现一个较高的拉应力。冷却到200℃以下时,工件组织转变基本完成,表面温度下降快,内部还保持较高的温度,热应力占主导地位,内部的冷却收缩将又使表层产生一个拉应力,此拉应力会抵消此前表面相变产生的压应力,并在心部和此前产生的拉应力叠加,形成更高的应力峰。由于工件中的脆性夹杂物会引起明显的应力集中,本身也会在相变应力的作用下碎裂,见图3(b)、(c),此时在拉应力的作用下在夹杂物处产生裂纹。最终在拉应力的作用下,裂纹扩张至表面,形成可观察到的裂纹。

(2)零件结构圆柱齿轮在淬火油中冷却时,内孔的冷却速度要比外圆面慢,同样是内孔面,靠近端面部位的冷速要快于中间,外部先于内孔中部完成组织转变并温度下降较多,因此内孔中间部位产生的拉应力最大,最容易在此处产生淬火裂纹,而且整个工件的相变和温度变化的差异随工件有效截面积的增大而增大。图1(a)所示的齿轮的淬火裂纹正是由以上两个原因造成,这也就是相同材质的其它齿轮(有效厚度小,其他尺寸基本相同)几乎不产生淬火裂纹,而该齿轮更容易经常产生淬火裂纹的原因。当然,齿轮存在其它缺陷也会导致不同程度的失效。

4  结论及改进建议

(1)磨削时,齿面受到砂轮拉应力的作用,同时磨削热和磨削力使残余奥氏体转变为马氏体增大了拉应力导致了磨削裂纹;

(2)粗大的马氏体针和钢中的脆性夹杂物本身也是裂纹源,增大了磨裂的倾向;

(3)18CrMnNiMo钢齿轮的淬火应力大、脆性夹杂物以及齿轮结构的共同影响导致了淬火裂纹。

因此为避免以上不利因素,除了加强原材料的进厂检验外,从以下方面进行工艺改进。

在热处理方面,应严格控制碳势在0.85%左右,适当降低淬火温度,减少残余奥氏体含量;应提高二次回火的温度到220℃以上,以降低马氏体的脆性,减小残余应力。充分回火不仅以回火时间为保证,更重要的是回火温度的保证。

在磨削加工方面,可考虑以下措施,防止出现磨削裂纹:①砂轮硬度选用中软硬度ZR1～ZR2;②在保证齿面粗糙度的情况下,尽量选用粒度较大的砂轮;③适当调整粗、精磨时的进给量,减少磨削力,粗磨用粒度较大的砂轮,精磨用粒度较小的砂轮。

另外,渗碳淬火后应进行合适的抛丸处理。抛丸处理后在齿面形成残余压应力,对减少磨削时的拉应力是有好处的。