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压力机齿轮轴裂纹分析
楚书君，路跃身，姚书山
(济南二机床集团有限公司，济南
250022)
摘 要：采用断口试验、热酸浸试验、金相检验和力学性能试验等方法对压力机齿轮轴裂纹进行了分析，并从裂纹的形态、分布及金相组织，显示了白点裂纹所具有的特征和性质。确定了齿轮轴的裂纹主要是由于原材料缺陷--白点所致。
关键词：齿轮轴；白点；裂纹
1 情况简介
我厂压力机上的JA36-500-20301齿轮轴(见图1)材料为40CrNi2Mo，经调质处理。在进行机加工时，发现轴加工表面及齿部有多条裂纹，其长约2～2.5cm，且大部分呈锯齿状沿轴向分布，见图2。图3为经着色探伤显示的齿部裂纹。为找出裂纹产生的原因，进行以下检验及分析工作。
图1 齿轮轴(mm)
图2 宏观裂纹形态
图3 经着色探伤显示的齿部宏观裂纹
2 原材料分析
2.1 化学成分分析
在齿轮轴齿部裂纹处取样进行化学成分分析，结果见表1。除了硫含量偏高外，其它化学成分符合AISI4340标准要求。
2.2 硬度测定
实测齿轮轴齿顶表面硬度为298HB，符合零件设计要求(280～320HB)；心部(距表面50mm处)硬度为244HB。
2.3 低倍组织检验
在轴齿部缺陷处横向切取30mm厚试样，将其横断面加工至粗糙度4级后，置于50%HCl水溶液中加热至70℃，保温25min，进行热酸蚀试验。图4为经热酸蚀试验后显示的裂纹形貌，可见大部分裂纹离表面都有一定距离，呈锯齿状，长约10～30mm不等，并呈放射状分布，见图5。
图4 经热酸蚀后显示的裂纹形貌
图5 裂纹形态及分布
3 断口试验
沿图4横截面开纵向槽口，然后用锻造气锤冲断，观察纵向断口。从见图6中明显可见椭圆型的白色斑点和鸭嘴形裂口，裂口长11～18mm，白斑面积约2100mm2。
图6 白斑及鸭嘴形裂口
4 金相检验
在裂纹处取金相试样，光学显微镜下观察：
(1)非金属夹杂物检验。试样为抛光态(未侵蚀)，在100倍下观察，脆性夹杂物1级，塑性夹杂物1～2级。按GB/T10561-1989评定，非金属夹杂物均在合格范围之内。
(2)显微组织检验。近表面组织为索氏体；心部组织为索氏体+铁素体，晶粒度9级(晶粒度评定标准参照YB/T5148-1993)，显微组织正常。
(3)裂纹形态。低倍所见的一条裂纹在显微镜下观察，实际上是由数条小裂纹串接而成，即裂纹呈串链状分布(见图7)，其大部分穿过晶粒，为穿晶裂纹(见图8)。裂纹周围组织正常，无塑性变形及氧化脱碳现象。
图7 串链状裂纹 37.5×
图8 穿晶裂纹及显微组织 400×
5 力学性能测试
在齿轮轴长度1/2处(图1)沿轴向截取拉伸和冲击试样(表2中1号和2号试样)，冲击试样为V型标准缺口试样。在热酸蚀试样的横截面上截取横向拉伸试样(表2中3号和4号试样)，室温下分别进行拉伸和冲击试验，测得的材料力学性能结果列于表2。
6 分析与讨论
根据低倍下裂纹呈锯齿状放射分布，高倍下呈串链状穿晶分布，纵向断口呈现白色斑点及鸭嘴形裂口等特征，该齿轮轴裂纹属于典型的白点裂纹。
(1)白点对钢力学性能的影响 白点是热轧或热锻钢坯的内部缺陷，常见于含铬、镍和锰等合金结构钢及低合金钢中，是中碳合金钢中所固有的缺陷。白点的存在会大大降低钢的力学性能。具有白点缺陷的钢材其纵向抗拉强度及弹性极限降低的并不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。而且这种钢材的横向力学性能又比纵向降低的更多。表2中试验测得的材料力学性能结果就说明了这一点。具有白点缺陷的钢材或零件在热处理时将使白点裂纹逐渐扩大甚至使零件开裂。零件在运行条件下，白点裂纹是产生应力集中和三向应力的根源。所以，白点是不容许存在的缺陷。有白点的钢材是不能使
用的。
(2)白点形成的原因 白点是钢中的氢和组织应力共同作用下产生的裂纹，氢的存在是钢中产生白点的根本原因。氢是以原子状态溶解在钢中的，它在钢中的溶解度随温度的降低显著减少。因此，当钢中存在一定量的氢时，若冷速过快，导致过饱和的氢来不及从钢中析出并扩散至大气中时，则将聚集在钢中空隙处，而结合成分子状态的氢。因氢分子很难在钢中进行扩散，在空隙处便形成巨大的局部压力，远远超过了钢的强度，导致裂缝产生。本失效齿轮轴材料为40CrNi2Mo，氢含量高，容易产生白点。
应力的存在对白点的生成起着重要的作用。因钢中存在枝晶偏析，在枝晶的晶轴内合金元素较贫乏，而在晶轴间较富集，以致晶轴内与晶轴间材料的相变时间不同，这样就形成了组织应力。在含锰、镍和铬等合金元素的结构钢中，合金元素的偏析显著增加了组织应力。随冷却速度与化学不均匀性的增加，组织应力也相应地增加，当它超过钢的强度时，即产生裂缝。
(3)影响白点敏感性的因素。化学成分对于白点敏感性有较大的影响，钢中含碳量增加，白点敏感性也增加。含碳量低于0.2%的钢其白点敏感性非常低，而含碳量高于0.3%的钢其白点敏感性显著增加。在结构钢范围内，镍、锰和铬元素将增加钢的白点敏感性。因此，40CrNi2Mo是白点敏感性高的材料，容易产生白点。
(4)白点的预防。由于形成白点的主要原因是氢和组织应力，因此，可以采用降低钢中氢含量及减少组织应力的方法来防止白点的产生。在冶炼方面，采用钢液真空处理，使钢中氢含量降低到不能形成白点的程度。在热加工方面，将钢锭及钢坯进行去氢退火处理，消除应力并使氢逸出，经过上述处理，钢中一般不会再出现白点。
7 结论
断口试验、低倍组织及金相检验结果表明，该齿轮轴的裂纹性质属于白点缺陷，即原材料缺陷。由于白点是属于破坏金属连续性的缺陷，是钢中不允许存在的缺陷。
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