應(yīng)用于行星齒輪減速機(jī)的38件行星齒輪,其鋼材18Cr2Ni4WA由A公司和B公司兩個(gè)單位供貨。這38件相同材料的行星齒輪經(jīng)同爐熱處理后,發(fā)現(xiàn)A公司供料的8件未見(jiàn)裂紋,而B(niǎo)公司供料的30件均有裂紋。
行星齒輪材質(zhì)為18Cr2Ni4WA鋼,熱處理工藝為:滲碳930℃×1.1%C+930℃×0.85%C+840℃×0.68%C后爐冷至780℃出爐空冷,然后650℃兩次高溫回火,二次加熱840℃×0.68%保溫4h后淬火,油淬(油溫65℃)+深冷處理+回火工藝180℃保溫6h。
出現(xiàn)的問(wèn)題是:由A公司和B公司供應(yīng)相同牌號(hào)的齒輪材料18Cr2Ni4W鋼,在同爐中進(jìn)行正火和高溫回火以及后面相同工藝的滲碳、淬火后,出現(xiàn)了完全不同的結(jié)果——A公司材料的8件未見(jiàn)裂紋,B公司材料的30件均有裂紋。其原因是什么?這是目前我們zui關(guān)心的問(wèn)題。
通過(guò)宏觀觀察、微觀觀察、金相檢查、硬度測(cè)試以及能譜分析,我們確定了行星齒輪的開(kāi)裂性質(zhì),并對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。
結(jié)果表明:
行星齒輪開(kāi)裂性質(zhì)為熱處理內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶脆性開(kāi)裂。A公司和B公司材料輪齒心部組織均為馬氏體,B公司材料馬氏體組織較粗大;B公司材料輪齒心部晶粒大小不均,且較A公司材料齒心部晶粒大;B公司材料齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。B公司材料輪齒開(kāi)裂與組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高等因素有關(guān)。
1.試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
(1)宏觀觀察
行星齒輪開(kāi)裂宏觀形貌如圖1、圖2所示。開(kāi)裂位置均位于齒的兩個(gè)端面附近。裂紋熒光檢測(cè)顯示如圖3所示,裂紋靠近齒輪兩端,呈八字形貌。裂紋宏觀形貌如圖4所示:端面上裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到齒面層(見(jiàn)圖4a),心部裂紋的張口zui寬;齒面上的裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到端面和齒頂(見(jiàn)圖4b)。
圖1 齒輪全貌、輪齒掉角
圖2 齒輪掉皮、掉角
圖3 熒光檢測(cè)的裂紋
(a)端面上裂紋 (b)齒面上的裂紋
圖4 輪齒端面和齒面上的裂紋
裂紋斷口宏觀形貌如圖5所示,各斷口均呈一定金屬光澤,斷口尺寸較大的輪齒斷口(稱之為輪齒斷口1),心部有一區(qū)域可見(jiàn)光亮的金屬刻面(見(jiàn)圖5a),斷口較小的輪齒斷口(稱之為輪齒斷口2)心部區(qū)域未見(jiàn)明顯的金屬刻面區(qū)(見(jiàn)圖5b)。
(a)輪齒斷口1 (b)輪齒斷口2
圖5 輪齒斷口1和斷口2的形貌
(2)微觀觀察
將裂紋斷口超聲波清洗后進(jìn)行微觀觀察。輪齒斷口1的微觀形貌如圖6和圖7所示,裂紋斷口心部形貌具有沿晶斷裂特征。斷口心部金屬刻面區(qū)微觀形貌呈沿晶斷裂特征,且晶粒較粗大,靠近心部區(qū)域呈沿晶+準(zhǔn)解理特征,且隨著向邊緣靠近,準(zhǔn)解理特征所占比重逐漸增加,滲碳層呈準(zhǔn)解理特征。
(a)16× (b) 200×
圖6 輪齒斷口1的微觀形貌
(a)500× (b)500×
圖7 輪齒斷口1滲碳層微觀形貌
輪齒斷口2的斷口微觀形貌與輪齒斷口1相似,斷口心部很小的區(qū)域呈沿晶斷裂特征,且晶粒較粗大,心部其他區(qū)域呈沿晶+準(zhǔn)解理特征,滲碳層呈準(zhǔn)解理特征。
人工打斷B公司和A公司材料的輪齒,斷口均呈等軸韌窩特征,如圖8、圖9所示。
圖8 B公司料斷口(500×)
圖9 A公司料斷口(500×)
對(duì)輪齒斷口1的裂紋斷口進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表1所示。裂紋斷口未見(jiàn)明顯異常元素。
表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
(3)金相檢查
金相檢查取樣:分別在B公司和A公司材料齒輪上從齒頂中心位置截取徑向截面試樣,磨、拋、腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。B公司和A公司材料輪齒的心部組織均為馬氏體(見(jiàn)圖10、圖11),前者組織較粗大。
圖10 B公司材料的心部組織
圖11 A公司材料的心部組織
A公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物呈網(wǎng)狀分布(見(jiàn)圖12),B公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物網(wǎng)狀分布不明顯(見(jiàn)圖13)。
圖12 A公司材料滲碳層金相組織
圖13 B公司材料滲碳層金相組織
輪齒斷口1的裂紋斷口沿晶開(kāi)裂區(qū)附近為馬氏體組織,如圖14所示。B公司材料和A公司材料輪齒心部晶粒形貌如圖15和圖16所示。B公司材料輪齒心部晶粒大小不均勻,且晶粒明顯較A公司材料輪齒心部晶粒粗大。
圖14 斷口沿晶開(kāi)裂區(qū)附近金相組織
圖15 B公司材料齒心部晶粒形貌
圖16 A公司材料齒心部晶粒形貌
(4)硬度測(cè)量 分別從A公司材料和B公司材料齒輪上截取垂直于齒輪軸向的橫截面試樣,磨、拋后對(duì)齒心部進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。B公司材料輪齒心部顯微硬度平均值約為465.76HV,高于A公司材料齒心部顯微硬度(427.90HV)。B公司材料輪齒心部顯微硬度轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為46.5HRC,A公司材料齒心部顯微硬度轉(zhuǎn)換成洛氏硬度約為44HRC,技術(shù)要求36~44HRC。
表2 齒輪齒心部顯微硬度測(cè)試結(jié)果 (HV)
采用硬度梯度方法對(duì)滲碳層深度進(jìn)行測(cè)量,滲層深度以550HV處深度為準(zhǔn),結(jié)果如表3所示。A公司材料齒面滲碳層深度為2.148mm,B公司材料齒面滲碳層深度為2.282mm,均符合2.0~2.4mm的技術(shù)要求。B公司材料齒面滲碳層硬度和深度均大于A公司材料。
表3 齒輪齒面滲層硬度梯度 (HV)
序號(hào)
|
距離表面/mm
|
B公司材料
|
A公司材料
|
1
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0.8
|
667.15
|
657.56
|
2
|
1.2
|
636.02
|
648.19
|
3
|
1.6
|
609.79
|
598.66
|
4
|
2.0
|
567.04
|
564.54
|
5
|
2.1
|
559.53
|
554.61
|
6
|
2.2
|
552.16
|
544.96
|
7
|
2.3
|
549.73
|
535.55
|
2.分析與討論
(1)宏觀觀察顯示,齒端面上裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到兩側(cè)齒面,齒面上裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到端面和齒頂,橫截面上裂紋心部張口zui寬,裂紋斷口均未見(jiàn)明顯擴(kuò)展臺(tái)階。由此可判斷,齒輪從輪齒心部先開(kāi)裂。
(2)微觀觀察顯示,齒輪裂紋斷口的心部,局部呈現(xiàn)沿晶開(kāi)裂特征,心部其他區(qū)域呈現(xiàn)沿晶+準(zhǔn)解理開(kāi)裂特征。由此可判斷行星齒輪開(kāi)裂性質(zhì)為沿晶脆性開(kāi)裂。
(3)裂紋從心部開(kāi)裂,裂紋斷口心部呈沿晶特征,以及沿晶+準(zhǔn)解理特征,而輪齒心部人工打開(kāi)斷口呈現(xiàn)韌窩特征。由此可判斷,裂紋在高溫內(nèi)應(yīng)力作用下形成。裂紋斷口均呈一定的金屬光澤,未見(jiàn)明顯氧化。
(4)淬火過(guò)程中,滲碳層和基體由于溫差和組織的差異,變形不一致而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。熱處理產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力都比較復(fù)雜。輪齒開(kāi)裂的部位,均位于輪齒端面附近4個(gè)滲碳層交匯的基體及過(guò)渡層處,此區(qū)域正好具有較高的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)合熱處理工藝可判斷,裂紋很有可能產(chǎn)生于第二次滲碳后的油淬工藝過(guò)程中。
(5)金相檢查顯示,B公司材料和A公司材料齒心部組織均為馬氏體。與A公司材料相比,B公司材料馬氏體組織較粗大,輪齒心部晶粒大小不均。
(6)硬度測(cè)試顯示,B公司材料輪齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高,均會(huì)促進(jìn)淬火過(guò)程中裂紋的萌生。
(7)A公司材料和B公司材料齒輪,經(jīng)過(guò)同爐和相同的熱處理工藝過(guò)程,但出現(xiàn)完全不同的結(jié)果:A公司材料齒輪完好,而B(niǎo)公司材料掉皮、掉角。由此可判斷,B公司和A公司的原材料應(yīng)該存在一定差異。
3.結(jié)語(yǔ)與建議
綜上所述,可得到以下結(jié)論:
(1)根據(jù)斷口的宏觀觀察和微觀觀察結(jié)果得知,行星齒輪開(kāi)裂性質(zhì)為熱處理內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的沿晶脆性開(kāi)裂。
(2)B公司材料馬氏體組織較粗大,心部晶粒大小不均,且較A公司材料晶粒大,輪齒的心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。由此可以判斷,B公司材料輪齒開(kāi)裂與馬氏體組織粗大、晶粒大且大小不均勻、以及硬度較高等因素有關(guān)。
(3)
行星齒輪材質(zhì)為高強(qiáng)度中合金滲碳鋼18Cr2Ni4WA。這是一種強(qiáng)度高,韌性、淬透性良好,缺口敏感性低的制造齒輪的高檔材料,但是工藝性能較差,它對(duì)原材料的化學(xué)成分、晶粒度等的一致性要求較高,否則就會(huì)影響熱處理工藝的合理安排。