一種Cr-Mo系齒輪鋼滲碳開裂失效分析

傅子建

（馬鋼招標公司，安徽 馬鞍山 243000）

在汽車等常用運輸設備中，齒輪主要用于變速器和主減速器中。齒輪在運轉過程中，承擔著傳遞動力和扭矩，嚙合齒面之間承受著很高的循環接觸負荷[1-3]。齒面嚙合部位既存在相對滾動，又有相對滑動，使得齒面上受到復雜的作用力，同時由于齒側間隙的存在，還會使齒面在運動中受到沖擊，齒根部位受到脈沖或交變彎曲應力作用，是典型的重載工作狀態，它的強度和使用壽命直接影響著汽車的承載能力和運行安全[4-7]，因此，齒輪鋼的生產質量至關重要。

本文針對某新開發新型Cr-Mo系齒輪鋼，滲碳淬火后出現開裂現象，通過對失效齒輪進行失效分析，確定齒輪發生失效的原因，為后續避免出現類似問題提供支撐。

1 失效齒輪分析方法

失效齒輪材料為150公斤真空感應爐冶煉，澆鑄成150mm×150mm方坯，鍛造成Ф80mm圓棒，正火處理后，加工成Ф40mm齒輪毛坯試樣進行滲碳處理，滲碳溫度為930℃，滲碳后將至860℃淬火，并對試樣進行低溫回火。回火后，發現試樣出現裂紋。

利用線切割將斷口切下，采用QUANTA450掃描電鏡對斷口形貌進行分析。利用線切割沿垂直于開裂部位切開，經磨、拋后在顯微硬度計上對滲碳層進行維氏硬度分析，對心部進行洛氏硬度分析，并分別在3%的硝酸酒精溶液和飽和苦味酸溶液下進行腐蝕，腐蝕后在Axio Imager M2m光學顯微鏡對試樣的組織。在ARL 4460火花放電原子發射光譜儀進行化學成分分析。

2 分析結果

2.1 化學成分

表1 是開裂齒輪的化學成分分析結果，可見，各元素含量均符技術標準要求。

2.2 滲層硬度

對開裂試樣正常區域和開裂附近進行顯微硬度檢驗，檢驗結果見圖1。可以看出這兩處的顯微硬度變化非常接近，若將顯微硬度高于550HV的位置判定為滲碳層，則正常區域滲碳層厚度為3.4mm，開裂附近滲碳層厚度為3.1mm，檢驗結果顯示各部位滲碳較為均勻。滲碳層最大硬度約750HV0.2。開裂區域硬度偏低可能與檢測位置接近裂紋處，存在檢驗誤差。

圖1 顯微硬度檢驗結果

2.3 滲層組織

取滲碳后試樣，研磨拋光腐蝕后觀察組織形貌，并按GB/T 25744-2010進行組織評級。顯微組織圖2，可以看出滲碳層為針狀馬氏體，組織級別為4級；心部為低碳馬氏體，未見游離鐵素體和貝氏體，組織級別為1級；未發現異常組織。

表1 失效齒輪化學成分及要求（質量分數，%）

圖2 齒輪顯微組織

2.4 斷口分析

圖3 裂紋處解剖圖

對斷裂試樣進行解剖觀察，可見位于表面以下5mm處，宏觀形貌為4mm長的細線狀物。將裂紋起源處在掃描電子顯微鏡下觀察，如圖3，裂紋源在D處，放大后觀察發現，細小顆粒狀的夾雜帶，顆粒大小在幾微米到十幾微米之間，夾雜物帶寬度約為100μm，對夾雜物顆粒進行能譜分析，夾雜物顆粒主要為Al-Ca-Mg-O型夾雜物。

圖4 裂紋源區SEM分析

3 失效原因分析及預防措施

根通過上述分析，該試樣鋼滲碳后的各項指標均滿足要求，試樣開裂是由于試樣內部存在Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物，在滲碳淬火時，較大的滲碳畸變使得材料應力較大，應力在夾雜處釋放，導致試樣開裂。該類型夾雜物主要為澆注水口結瘤產物，非鋼水內生夾雜物，煉鋼過程很難避免類似夾雜物存在，但數量極少，不影響材料的批量生產及應用。失效試樣存在的Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物可以通過超聲波探傷發現，在后續生產中，可以通過嚴格探傷來規避此項缺陷。

4 小結

（1）失效試樣各項指標均滿足標準要求，并且各項指標均達到較好水平，疲勞斷口發現的Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物非鋼水內生夾雜物，煉鋼過程很難避免，但數量極少，不影響材料的批量生產及應用。

（2）失效試樣存在的Al-Ca-Mg-O型大型夾雜物可以通過超聲波探傷發現，在后續生產中，可以通過嚴格探傷來規避此項缺陷。