齒輪軸表面發(fā)紋產(chǎn)生原因

鞠 芳，張婷婷，羅 婷，趙喜慶

(凌源鋼鐵股份有限公司，凌源 122504)

45鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼，硬度不高，易切削加工，調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合力學性能，可用于生產(chǎn)連桿、螺栓、齒輪和軸類零件。某廠使用φ180 mm的45鋼生產(chǎn)打印機傳送齒輪軸，該齒輪軸的生產(chǎn)工藝流程為：下料→粗車→熱處理(淬火860 ℃×90 min，油淬；回火500 ℃×120 min)→精車。在精車時發(fā)現(xiàn)齒輪軸表面上有多處縱向分布的發(fā)紋。為查找發(fā)紋產(chǎn)生的原因，筆者對其進行了一系列檢驗和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

缺陷齒輪軸宏觀形貌如圖1所示，在齒輪軸處存在多條肉眼可見的發(fā)紋，沿軸向呈曲折鋸齒狀延伸，長10～20 mm。

圖1 齒輪軸表面發(fā)紋宏觀形貌Fig.1 Marco morphology of the hair cracks on the surface of the gear shaft

1.2 化學成分分析

對缺陷齒輪軸進行化學成分分析，結果見表1。可見該齒輪軸的化學成分滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》對45鋼的成分要求。

表1 缺陷齒輪軸的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the defective gear shaft (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

在缺陷齒輪軸的發(fā)紋處截取縱向和橫向金相試樣。縱向金相試樣打磨拋光后，可見發(fā)紋附近存在聚集的夾雜物，根據(jù)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》，可以確定這種聚集的夾雜物為A類硫化物，如圖2 a)所示。橫向金相試樣打磨拋光后，可見發(fā)紋呈閃電狀向內(nèi)延伸，由于進行了500 ℃回火處理，裂紋內(nèi)有氧化物產(chǎn)生，如圖2 b)所示。用4%(體積分數(shù))硝酸酒精溶液浸蝕橫向金相試樣，觀察其微觀形貌，可見發(fā)紋兩側及遠離發(fā)紋處基體組織無差異，均為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體+貝氏體，兩側無脫碳現(xiàn)象，表明裂紋區(qū)未經(jīng)歷高溫過程，如圖2 c)所示。

圖2 齒輪軸發(fā)紋處金相試樣浸蝕前后微觀形貌Fig.2 Micro morphology of metallographic samples at the hair cracks of the gear shaft before and after etching:a)the longitudinal metallographic sample before etching;b)the transverse metallographic sample before etching;c)the transverse metallographic sample after etching

1.4 掃描電鏡及能譜分析

沿發(fā)紋開裂方向?qū)l(fā)紋打開，采用掃描電鏡(SEM)觀察其斷口形貌，在斷口內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量聚集的硫化物夾雜，主要為硫化錳夾雜，如圖3和圖4所示，這與金相檢驗的結果一致。

圖3 斷口SEM形貌及EDS分析結果Fig.3 The a)SEM morphology and b)EDS analysis results of the fracture

圖4 斷口處面掃描形貌及分析結果Fig.4 Scanning morphology and analysis results of the fracture:a)scanning morphology;b)analysis results of S element;c)analysis results of Fe element;d)analysis results of Mn element

2 分析與討論

發(fā)紋是鋼材表面及內(nèi)部沿鍛軋方向分布的很細小的裂紋，是鋼中夾雜、氣孔和疏松等被延伸的結果[1-3]。該齒輪軸的發(fā)紋呈曲折鋸齒狀，沿發(fā)紋兩側有嚴重的夾雜物分布，尾部也可見夾雜物，裂紋兩側無脫碳現(xiàn)象，有研究認為這是由非金屬夾雜物引起的淬火裂紋特征[4]。也有研究認為裂紋如呈閃電狀開裂，裂紋斷裂面上無氧化顏色，裂紋四周無脫碳現(xiàn)象，即可判斷該裂紋為淬火裂紋，若是由夾雜物引起，還可見呈偏析狀分布的夾雜物[5]。

鋼中硫化錳夾雜分布不均勻，會產(chǎn)生聚集現(xiàn)象。塑性較好而與基體結合又較弱的硫化物在應力作用下就會較早地導致硫化物與基體間的界面處開裂，形成分離裂紋，加之最大應力往往集中在夾雜物與鋼基體界面上，少量的應變便會使夾雜物與鋼基體界面形成孔洞[6]。

因此，該齒輪軸的發(fā)紋是由于大量的非金屬夾雜物聚集導致。粗車工序使鋼中非金屬夾雜物暴露出來，在后續(xù)熱處理過程中由于應力集中，產(chǎn)生沿夾雜物擴展的淬火裂紋，并最終形成可觀察到的裂紋。

3 結論及建議

該齒輪軸上的發(fā)紋是由硫化物夾雜聚集導致的，熱處理過程中聚集的硫化物夾雜引起齒輪軸應力集中，產(chǎn)生沿夾雜物擴展的淬火裂紋，并最終形成發(fā)紋。建議控制鋼中夾雜物的均勻性，避免產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，以減少發(fā)紋的產(chǎn)生。