4340鋼齒輪斷齒原因

陳 亮, 徐浩杰, 劉 麗, 姚 良

(蘇州邁拓金屬檢測服務有限公司, 蘇州 215126)

某壓縮機用從動齒輪在試驗臺上運行4 h后發生斷齒，該齒輪的整體宏觀形貌如圖1所示。該斷齒齒輪材料為4340鋼，工藝流程主要為：鍛造→熱處理→插齒→滲氮處理→磨齒等；其中熱處理工藝為815 ℃淬火4 h+565 ℃回火10 h，滲氮工藝為537 ℃,20 h,氨分解率至15%～35%(體積分數,下同)時氮化和537 ℃,20 h,氨分解率至65%～85%時氮化。為查明齒輪斷齒的原因，筆者對該齒輪進行了理化檢驗和分析。

圖1 斷齒齒輪的整體宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

從圖2所示斷齒的宏觀形貌可以看出，齒輪有4個斷齒，斷口形狀基本一致,斷齒與其他位置發生碰撞而出現不同程度的損傷。

圖2 斷齒宏觀形貌

觀察斷齒附近區域，發現斷齒上方齒側有裂紋的齒多達11個，裂紋起源于齒輪端面，由下至上沿齒長度方向擴展，每個齒側的裂紋分布均為從齒底逐漸延伸至齒尖，裂紋長度逐漸變短直至消失；斷齒下方也發現有2個齒在齒側處存在裂紋(見圖3)。

圖3 斷齒附近裂紋宏觀形貌

沿圖2中虛線框位置切割試樣,用于觀察齒輪端面的形貌；取下3塊試樣，分別編號為試樣1、試樣2和試樣3[見圖4a)]。試樣1和試樣2分別取自斷齒和開裂齒位置，試樣3取自無斷齒或開裂齒的位置；在斷齒左右兩側的齒輪端面上均發現裂紋[見圖4b)]，故對其進行無損檢測，以便展現齒輪端面清晰的裂紋形貌。

圖4 齒輪試樣端面形貌及其編號

1.2 滲透檢測

對試樣2和試樣3進行滲透檢測，發現試樣2軸頸上有明顯裂紋，而試樣2的齒面并未發現裂紋；在試樣3的端面和齒面均未發現裂紋(見圖5)。

1.3 低倍檢驗

對試樣1和試樣2的端面進行腐蝕，可以清晰地觀察到試樣1和試樣2的端面上有一條周向裂紋，并且正好與斷齒斷口面及其他齒側的裂紋重合；在周向裂紋的右側尾部附近，試樣2軸頸上的裂紋也延伸到端面(見圖6)。

1.4 磨削燒傷檢測

考慮到對齒輪氮化處理后進行過表面磨削加工，可能會產生磨削裂紋，因此選擇試樣1和試樣3的部分區域進行磨削燒傷檢測，在其齒面上均未發現明顯回火特征，說明裂紋產生與磨削加工無關(見圖7)。

圖7 試樣1和試樣3部分區域磨削燒傷檢測后宏觀形貌

1.5 金相檢驗

沿圖6的虛線切割，垂直于周向裂紋制備金相試樣。裂紋開口處及尾部微觀形貌如圖8,9所示,從圖8,9可以看出：試樣拋光后發現裂紋纖細，裂紋開口處較寬，尾部尖細，有斷續狀的細小尾巴[1]；腐蝕后在裂紋兩側均發現大量氮化白亮層，未發現脫碳現象，故推測此裂紋發生在氮化處理之前。結合齒輪制造工藝流程分析可知，該周向裂紋是在熱處理過程中形成的淬火應力裂紋[1]。齒輪心部顯微組織為回火索氏體，為正常的調質組織，未發現其他異常組織(見圖10)。

圖8 裂紋開口處微觀形貌

圖9 裂紋尾部微觀形貌

圖10 齒輪心部微觀形貌

1.6 化學成分分析

在斷齒附近取樣，依據ASTM E415—17StandardTestMethodforAnalysisofCarbonandLow-alloySteelbySparkAtomicEmissionSpectrometry，使用MAXx LMM14型斯派克火花源原子發射光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。可見斷齒齒輪的化學成分符合SAE J404-2000ChemicalCompositionsofSAEAlloySteels對4340鋼的化學成分技術要求。

表1 斷齒齒輪的化學成分 %

1.7 非金屬夾雜物評定

依據ASTM E45-18aStandardTestMethodsforDeterminingtheInclusionContentofSteel，分別在斷齒附近取樣，采用DMI3000M型徠卡光學顯微鏡分析評定非金屬夾雜物,結果如表2和圖11所示。

表2 非金屬夾雜物評定結果 級

圖11 斷齒附近非金屬夾雜物微觀形貌

1.8 平均晶粒度評定

依據ASTM E112-13StandardTestMethodsforDeterminingAverageGrainSize，在斷齒附近取樣，采用DMI3000M型徠卡光學顯微鏡分析評定晶粒度，結果顯示平均奧氏體晶粒度為9.5級(見圖12)。

圖12 斷齒附近晶粒微觀形貌

1.9 硬度測試

依據ASTM E10-18StandardTestMethodforBrinellHardnessofMetallicMaterials,使用DIA TESTER 2RC型布洛維硬度計對齒輪心部進行硬度測試，心部測試結果為301，302,305 HBW，均低于客戶提供的硬度技術要求(320～360 HB)。

依據ASTM E18-20StandardTestMethodsforRockwellHardnessofMetallicMaterials，采用FR-3e型數顯洛式硬度計進行節圓表面硬度試驗，節圓表面測試結果為84.8，84.9,85.3 HR，均符合客戶提供的硬度技術要求(84～88 HR)。

1.10 滲氮層深度測定

依據GB/T 11354—2005 《鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，采用402MVA型顯微硬度計進行滲氮層深度測試。測試結果如表3所示，由測試結果可知,滲氮層深度為0.48 mm,符合客戶提供的滲氮層深度技術要求(0.46～0.58 mm)。

表3 滲氮層深度測試結果

1.11 掃描電鏡觀察和能譜分析

采用掃描電鏡對斷齒斷口表面的微觀形貌進行觀察，發現大部分斷口均已被氧化，但在齒輪端面附近斷口上的部分區域,可能發生氧化層脫落，部分形貌疑似為脆性沿晶斷口形貌[見圖13a)]；在最后斷裂區域無氧化跡象，斷口形貌為具有河流花樣和舌狀花樣的解理斷口形貌和具有韌窩和撕裂棱的韌性斷口形貌特征的準解理形貌[見圖13b)]。

圖13 斷齒斷口表面的微觀形貌

對斷齒斷口覆蓋層進行能譜分析，發現覆蓋層含有較高含量的氮元素，說明沿斷齒開裂的裂紋兩側覆蓋層為氮化層，進一步證實此裂紋發生在氮化處理之前，能譜分析區域如圖14所示,分析結果如表4所示。

圖14 斷口表面覆蓋層能譜分析區域

表4 斷齒斷口覆蓋層能譜分析結果 %

2 綜合分析

從化學成分和非金屬夾雜的分析結果可知，該齒輪的化學成分符合SAE J404-2000標準對4340鋼化學成分的技術要求；且非金屬夾雜物較少，純凈度較高，說明原材料成分無異常，無明顯冶金缺陷。

從顯微組織、平均晶粒度和硬度測試結果可知，齒輪材料的顯微組織正常，晶粒比較細小，說明熱處理過程中并未因溫度過高或處理時間較長而導致晶粒長大;齒輪心部硬度低于客戶提供的技術規范要求，可能與回火溫度和時間有關;齒輪表面硬度和滲氮層深度均符合客戶提供的規范要求，說明滲氮處理工藝無明顯異常。

通過低倍檢驗結果可知，斷齒上下兩側的其他齒面均有裂紋，在齒輪端面也發現裂紋。齒輪端面的裂紋沿周向分布，與斷齒斷口面及其他齒側的裂紋相重合。

從金相檢驗結果可知，齒輪端面上的裂紋和軸頸上的裂紋都具有淬火應力裂紋典型特征，且端面裂紋兩側有明顯的氮化白亮層；通過掃描電鏡和能譜分析也發現斷口面氮元素含量較高，進一步說明了裂紋是在氮化處理前形成的，因淬火處理發生在氮化處理之前，故可推斷，齒輪端面和軸頸上的裂紋為淬火裂紋。

金屬淬火應力裂紋是指零件或工件在淬火冷卻過程中，由于局部應力過大而引起的淬火裂紋[1]。在實際生產過程中，鋼制零件或工件由于結構設計不當，材料選擇不當，存在鍛造缺陷(如表面折疊、表面或次表面偏析、裂紋等)[2]，淬火溫度控制不當，淬火冷速不當等因素都可能導致淬火裂紋。

結合斷齒齒輪裂紋宏觀形貌和金相檢驗結果可知，裂紋形成在氮化處理之前，為典型的淬火裂紋。

3 結論

該齒輪斷齒是由于齒輪氮化處理前已存在淬火裂紋，在齒輪運行過程中嚙合受力，裂紋擴展導致斷齒。