空壓機齒輪內孔裂紋原因分析

■ 任素紅

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該空壓機齒輪內孔為錐孔，通過過盈裝配與軸組裝。在進行空壓機齒輪與軸的裝配時出現1件齒輪內孔開裂。該齒輪材料為20CrMnTi，技術要求經滲碳淬火、回火處理，表面硬度59～63HRC，有效硬化層深度0.6～0.9mm（550HV3），心部硬度35～43HRC，金相組織執行QC/T262《汽車滲碳齒輪金相檢驗》標準要求。為查找失效空壓機齒輪內孔裂紋的原因，對齒輪的材料化學成分、齒輪有效硬化層深、表面硬度、心部硬度、金相組織、宏觀斷口進行了檢查分析，同時對斷口進行掃描電鏡微觀分析。

1.宏觀檢驗

從失效齒輪反饋的失效照片看，裂紋沿內孔呈現通透型斷裂（見圖1）。從失效齒輪斷口的宏觀特征看，該斷口呈現放射狀的撕裂棱線，放射狀撕裂棱線的收斂處為裂紋源（見圖2）。

圖1 齒輪裂紋全貌

圖2 齒輪斷口宏觀

2.化學成分分析

失效齒輪材料化學成分的分析結果如表1所示。

從表1化學成分檢測結果看，此齒輪的材料為20CrMnTi鋼，符合齒輪圖樣中的材料技術要求。

3.硬度及硬化層深檢驗

對失效空壓機齒輪的表面硬度及心部硬度進行了檢測，其檢測結果如表2所示。從表2可知，失效齒輪的表面硬度及心部硬度符合產品的技術要求。表3為同齒左右齒面的硬化層深硬度梯度及有效硬化層深的檢驗結果。從表3的檢測結果看，失效齒輪節圓處左齒面有效硬化層深0.86mm，右齒面有效硬化層深為0.84mm，符合對該產品的滲碳層深技術要求：0.6～0.9mm（550HV3）。

4.金相檢驗

對失效齒輪的滲層組織按QC/T262進行金相組織檢測，碳化物1級，無粗大碳化物，馬氏體+殘留奧氏體2級。符合QC/T262滲碳淬火回火后的金相技術要求。

表1 齒輪化學成分（質量分數） （%）

表2 失效齒輪硬度測定結果 （HRC）

表3 齒輪硬化層硬度梯度測定結果

5.掃描電鏡分析

經對斷口的掃描電鏡分析發現在軸頸端靠近裂紋源位置，滲碳層深與基體的連接處發現較大非金屬夾雜物（見圖3），經半定量分析該非金屬夾雜物為氧化鋁，其尺寸為長105μm，寬33μm。按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》屬于超尺寸夾雜物。其內部斷口具有典型的韌窩形貌（見圖4），說明材料內部韌性較好。

圖3 齒輪非金屬夾雜物

圖4 齒輪內部韌窩

6.非金屬夾雜物的檢驗

在失效齒輪的基體上取樣（見圖5），按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》對此試塊進行了非金屬夾雜物的檢驗。檢驗發現A類、B類、C類和DS類非金屬夾雜物（見圖6）。按GB/T 10561—2005評級為A0.5，B2e，C0.5s，DS2。按GB/T3077—2015的要求，夾雜物超級。

圖5 非金屬夾雜物試塊

圖6 非金屬夾雜物

7.原因分析及結論

失效齒輪內孔的宏觀斷口呈現放射狀的撕裂棱線，裂紋源位于軸頸端。在裂紋源處出現超尺寸非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續性，當齒輪在裝配過程中內孔受到徑向拉應力作用而發生斷裂。