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20CrMnTiH钢齿轮裂纹产生机理研究
张 海
(燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004)
摘
要：20CrMnTiH钢齿轮开裂属常见缺陷。通过对两件报废的20CrMnTiH钢齿轮分析，确定了各主要因素对齿轮开裂的影响程度。在冶炼时控制钢的成分，在加工时制定正确的热处理工艺和规定适当的渗层深度等具有重要意义。
关键词：齿轮；淬透性；热处理工艺
1 引言
20CrMnTiH钢主要用于制造汽车齿轮。钢的淬透性控制要求为：①保证齿轮在随后的渗碳淬火时不要产生过大的热处理变形，以致产生淬火裂纹；②保证齿轮的心部具有足够的强度，以防止过早的疲劳破坏。本文对报废齿轮进行了深入分析，得出淬透性过高，往往容易造成变形或开裂；而淬透性过低，又容易造成过早断齿。因此，选择适当的淬透性及相应的热处理工艺是提高齿轮质量的重要手段。
2 齿轮损坏部位及热处理工艺
齿轮A和齿轮B均是汽车后桥主动轮，其热处理工艺均是930℃加热渗碳，炉冷到830～840℃油淬，渗层要求深度1.2～1.6mm。齿轮A淬火时在花键根部产生裂纹，裂纹在横截面上的深度约20mm，如图1所示；齿轮B是在疲劳寿命试验中，过早地在齿根产生疲劳断裂，如图2所示。
图1 齿轮A的断裂部位
图2 齿轮B的断裂部位
3 试验方法及结果
3.1 化学成分分析
光谱分析化学成分见表1。
3.2 横截面上硬度分布及组织状况
齿轮A在花键轴横截面上距表面不同距离处硬度值及显微组织如表2所示，图3～5分别为齿轮A的表面、中心和裂纹处的金相组织照片，渗碳层深度为1.5mm。
图3 齿轮A渗碳层表面组织 ×200 图4 齿轮A心部组织 ×200
图5 齿轮A裂纹处组织 ×200
齿轮B在断齿处横截面上不同位置处硬度值及显微组织见表3，图6～8分别为齿轮B齿根渗碳层、中心和离断口2mm处的金相组织照片。
图6
齿轮B齿根渗碳层显微组织
×200
图7
齿轮B中心组织
×200
图8
齿轮B离断口2mm处组织
×200
4 分析与讨论
4.1 齿轮A
(1)淬透性分析 由表1可以看出齿轮A的碳含量在标准含量的上限，铬含量偏中上限，同时还有0.0025%的硼，上述诸元素都是提高钢的淬透性的元素，钢中加入微量硼0.001%～0.003%能显著提高钢的淬透性，当硼含量在0.0025%时增加淬透性的效果最显著，将横截面上不同位置的硬度值转换为端淬试样距水冷端不同位置的硬度，对于<45mm圆棒，表面相当于J6=4517HRC，中心(22.5mm处)相当于J16=36,2HRC，距中心3/4R处(5,6mm处)相当于J11=42HRC，由此可知J9在42HRC以上，而一般要求J=(28～42)/9HRC，故该齿轮淬透性过高。
(2)金相组织分析 由表2可知，齿轮A经渗碳淬火后，完全淬透，心部M+B的比容较大，表面呈拉应力状态，同时由于渗碳加热温度较高，表面层组织为粗大的M和40%左右的AR。一般20CrMnTiH钢齿轮在930℃渗碳时晶粒是不容易长大的，若渗碳温度偏高，表层又有相当高的碳含量，同样温度对不同含碳量的奥氏体晶粒大小有不同的影响，如图9所示，因此很容易使奥氏体晶粒长大。
由图9可知，当含碳量在1110%以上时，温度稍有提高晶粒长大很快，而马氏体在原奥氏体晶界成核并向晶粒内长大，所以奥氏体晶粒大小决定了开始形成马氏体的大小。从齿轮渗碳层的显微组织来看表层残留奥氏体大约为40%左右，所以齿轮表层含碳量约为1.2%～1.4%左右，如此高的含碳量，当渗碳温度稍高时，则奥氏体晶粒必然会长大，从而使得马氏体针粗大，因而使得齿轮变脆。
图9 不同含碳量、温度对奥氏体晶粒大小的影响
(3)残余应力分析 一般渗碳零件淬火时，在渗碳层会引起很大得残余应力，这是因为渗碳层和心部含碳量不同，因而在淬火时引起不同的体积变化，但是齿轮A表层的残留奥氏体量高达40%以上，使得淬火时齿轮外层体积膨胀较少(相对于100%马氏体而言)，所以齿轮表层的压应力显著减小。因齿轮A完全淬透，当齿轮中心淬火冷却到马氏体转变点而形成马氏体时，体积膨胀，使齿轮表面受拉应力，由于齿轮表面残留奥氏体含量高，原始压应力小，不足以抵消齿轮心部形成马氏体引起的拉应力，齿轮表面形成残余拉应力。同时，在淬火时，内外温差引起热应力。这两种力综合作用于齿轮A，在花键轴根部轮廓突变处引起很大的应力集中，当拉应力大于断裂强度时，就形成淬火裂纹。
4.2 齿轮B
齿轮B断口特征为凹形，这是疲劳断口特征。
(1)淬透性分析 从表1可以看出齿轮B的Mn、Cr含量居中限，无硼，碳含量接近下限。将齿轮B截面上不同位置处的硬度值转换为端淬试样距水冷端不同位置的硬度，然后根据20CrMnTiH钢标准淬透带，结果为：表面相当于J15=39HRC，中心相当于J13=31HRC。由表3可知齿轮B心部硬度值为22HRC，齿根中心硬度值为26HRC，渗碳层硬度值为36HRC，可见渗碳层和心部硬度过低，显然是由于淬火冷却速度慢、淬火不完全造成的。
(2)疲劳强度分析 由于钢的疲劳强度和硬度密切相关，由图10可以看出，硬度在22HRC左右时，疲劳强度为420MPa，因此，齿轮B心部强度过低是造成在渗碳层形成疲劳裂纹的主要原因。
(3)齿根渗层过薄 渗碳层厚度一般为0.9～1.2mm而齿轮B渗碳层仅有0.5mm，渗碳层过薄，也会导致零件疲劳寿命降低。渗碳零件承受弯曲应力时，零件横截面的应力分布如图11所示，OC代表零件厚度的1/2，C′C表示渗碳层厚度，CM表示渗碳层破坏时整个断面的实际应力分布，心部屈服极限应不低于OB(如OB′)，在过渡层区域A′A发生塑性变形。因而在重复应力作用下，使渗碳层产生疲劳裂纹。同时，渗碳层厚度应不低于C′C，若小于C′C(如C″C)，则过渡层AD将发生塑性变形，即使心部屈服极限达到OB值，若渗碳层薄，也会在过渡区发生塑性变形，使渗碳层形成裂纹，在多次重复应力作用下，裂纹沿断面不断扩大，直致破坏。
图10 钢的疲劳强度和硬度的关系
图11 渗碳零件承受弯曲应力时横截面应力分布
5 结论
(1)齿轮A产生淬火裂纹的主要原因是钢材本身淬透性高，齿轮沿横截面全部淬透；同时，在热处理时，由于淬火温度偏高，使齿轮渗层表面形成粗大的马氏体及较多的残留奥氏体(40%以上)，在表面层形成残余拉应力，当花键轴根部应力集中处在拉应力大于断裂强度时形成淬火裂纹。
(2)齿轮B含碳量接近下限，淬透性低，淬火时冷速慢，淬火不完全，心部硬度过低；同时齿轮渗碳层过薄，使过渡区在承受弯曲应力时产生塑性变形，在渗碳层形成裂纹，经多次重复应力作用，造成疲劳破坏。
因此，选择适当淬透性的钢和制定正确的热处理工艺是提高产品质量的重要手段。
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