452型輸入四檔齒圈裂紋失效分析

摘 要：通過化學成分、宏觀形貌、金相組織檢驗和顯微硬度測試等，對452型輸入四檔齒圈裂紋原因進行分析。結果表明該齒圈存在機加工劃痕，熱處理后產生淬火裂紋是導致該齒圈發生裂紋的原因，并給出了必要的預防建議。

關鍵詞：16MnCrS5；齒圈；裂紋；失效分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.050

1 前言

某汽車變速箱輸入軸四檔齒輪使用的材質是16MnCrS5， 16MnCrS5是從德國引進的鋼種，相當于我國16CrMnH鋼（參照GB/T 5216-2004保證淬透性結構鋼標準）， 16MnCrS5齒輪鋼經滲碳淬火后使用，主要用于制造齒輪、蝸桿、密封軸套等零部件。技術要求表面硬度58.5-63.3HRC，滲碳層深度0.5-1.0mm，心部硬度30-43HRC；其主要工藝流程是： 下料——鍛造——等溫正火——精加工——滲碳淬火——磨內孔。熱處理工藝：加熱至915℃1-2小時，分級油冷至185℃3-4 小時，空冷。磨孔工藝后， 發現有1個齒圈有裂紋， 可見圖 1和圖2所示。

2 檢測內容

試樣取自滲碳淬火后開裂的裂紋部位，用金相顯微鏡分析金相組織，用顯微硬度計測試硬度，用金相顯微鏡評級鑒別夾雜物和金相組織。

2.1 化學分析

根據檢測報告，見表1，原材料16MnCrS5中各元素含量符合技術要求。

2.2 宏觀形貌分析

按照圖2位置線切割取樣，對齒圈表面裂紋進行了金相觀察，見圖3和圖4。在100倍視場下，沒有觀察到該部位的內部裂紋，由此推測該齒圈表面裂紋應為機加工中發生的碰撞痕跡。

2.3 金相分析

在100倍視場下，對齒圈裂紋部位進行了觀察，發現其裂紋走向平直，無分叉，斷口呈現脆性斷裂外貌，裂紋在開裂的末端逐漸變窄呈現尖狀收尾。400倍視場下觀察，試樣滲碳層部位組織均勻，為細針狀回火馬氏體和少量殘余奧氏體，改用800倍視場下觀察，細針狀回火馬氏體和少量殘余奧氏體較為清晰，未見明顯夾雜物和帶狀組織，有少量細粒狀彌散分布的碳化物。心部組織為板條馬氏體，同時有少量鐵素體，整體上組織較為均勻，未見明顯夾雜物和帶狀組織。

2.4 硬度分析

實測的表面顯微硬度為760-836HV（技術要求：58.5-63.3HRC），心部硬度為488-504HV （技術要求：30-43 HRC），均符合相關要求。根據滲碳層形貌及實測顯微維氏硬度看出（截止到心部550HV），滲碳有效硬化層深約 0.6mm（技術要求為 0.5-1.0mm），符合技術要求。

3 失效機理分析

由圖5可看出，在齒圈裂紋上和下的最后斷裂處外，基本無明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征。在齒圈外緣有一條弧形裂紋，金相觀察該裂紋內部及附近的組織，無氧化脫碳現象，有效滲碳層較好，裂紋的方向平直，具備淬火裂紋特征，可以推斷該齒圈是在淬火工藝后產生的裂紋，而非鍛造氧化皮折疊所致。

在淬火油中冷卻時，一般情況下，齒輪部位的冷卻速度要比齒圈部位慢，齒圈靠近齒輪的部位冷卻速度要慢于靠近端面部位，當冷卻速度較大時，最外端面的組織是早于內部位置完成組織轉變的。此時，齒圈最外端面產生的拉應力達到最大值，淬火裂紋最容易在最外端面產生。最終，在拉應力的作用下，裂紋擴展到表面，如果工件的外表面存在加工碰撞痕跡，由圖3可知，該齒圈表面裂紋應為機加工中發生的碰撞痕跡，這就會誘發或者直接形成可以觀察到的裂紋。

齒輪的滲碳層有效層深和滲碳層硬度均符合技術要求，齒輪的表面組織和心部組織均符合標準，該齒圈的裂紋是由于機加工碰撞和淬火裂紋引起的。

4 改進建議

一般來說有銳角、孔洞或斷面有急變的零件比較容易淬裂。該齒輪部位和齒圈部位尺寸相差過大，齒圈相對較薄，其表面的機加工痕跡容易成為淬火裂紋的起點。建議加強機加工生產過程的控制與檢驗，避免發生在齒圈表面發生機加工碰撞，同時注意熱處理環節的淬火溫度和冷卻速度，及時回火以消除應力，注意選用合適的淬火油并及時更換新油。

參考文獻：

[1]任頌贊，葉儉，陳德華.金相分析原理及技術[M] .上海：上海科學技術文獻出版社，2013.930.

[2]金榮植.齒輪的熱畸變、裂紋與控制方法處理 [M].北京：機械工業出版社，2014.279.

基金項目：江蘇高校品牌專業建設工程項目（PPZY2015C234）

作者簡介：張翔（1974—），男，江蘇揚州人，碩士，講師，研究方向：金屬材料服役安全。