某裝載機內齒圈斷裂原因

陳凱敏, 樊 洋, 趙 宜, 喬建勇

(浙江機電職業技術學院, 杭州 310053)

某裝載機用內齒圈材料為35CrMo鋼，制造工序為：原材料鋸料→(1 150±30) ℃加熱→鍛造→沖孔→輾環→正火→粗車→調質(830～860 ℃油淬+600～650 ℃回火)→精車→插齒→氮化。在其成品搬運過程中，內齒圈意外跌落并發生斷裂。為確定該內齒圈斷裂的原因，筆者對其進行了一系列的理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察及斷口分析

該內齒圈及其斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷口從齒根部位沿徑向擴展，斷口平整未見明顯起伏，呈一次性斷裂的特征。

圖1 內齒圈及其斷口宏觀形貌

在內齒圈斷口處取樣，對其進行超聲清洗后用S-3400N型掃描電鏡(SEM)觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：斷口中心區域存在許多細小孔洞，孔洞表面呈現類似自由結晶狀形貌，孔洞內還存在眾多晶界裂紋，局部可見晶界熔融痕跡。

圖2 內齒圈斷口SEM形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂內齒圈上取樣，采用CS800型紅外碳硫分析儀和iCAP6300型電感耦合等離子體發射光譜儀對其進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：其化學成分符合GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對35CrMo鋼的要求。

表1 斷裂內齒圈的化學成分 %

1.3 低倍檢驗

從斷裂內齒圈的不同方位，每間隔120°取徑向截面進行低倍檢驗，其低倍組織形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣截面中部區域存在大量的孔洞類缺陷，齒根至心部存在通道，邊緣周圍完好未見異常。將試樣進行低倍酸蝕，發現這些孔洞擴大并形成了一個較大的腐蝕坑，這說明內齒圈整個環形區域截面的心部均存在細小的孔洞類缺陷。

圖3 內齒圈徑向截面低倍形貌

1.4 沖擊試驗

從斷裂內齒圈上取樣，采用JBN-300B型沖擊試驗機對其進行沖擊試驗。結果顯示：斷裂內齒圈的沖擊吸收能量分別為6.0，5.0，6.0 J，而內齒圈沖擊吸收能量的技術要求為不小于70 J。由沖擊試驗結果可知：該內齒圈脆性較大，極易在承受沖擊載荷的情況下發生脆性斷裂。

1.5 金相檢驗

從斷裂內齒圈上取徑向截面試樣，采用Observer.Alm型光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗，結果如圖4所示。由圖4可知：試樣心部存在大量孔洞類缺陷，在孔洞邊緣發現大量的脈狀氮化物組織；正常區域的氮化層深度約為0.6 mm，表面為白亮的化合物層，表層為回火索氏體；心部為回火索氏體+少量鐵素體組織，其晶粒度約為7～8級，為內齒圈正常的熱處理組織，表明該內齒圈熱處理工序正常。

圖4 內齒圈徑向截面顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：該裝載機內齒圈的化學成分符合GB/T 3077—2015的標準要求；齒輪表面氮化組織、心部組織均符合技術要求，表明其熱處理工序正常。

由斷口形貌分析結果可知：該內齒圈的徑向截面中心區域存在大量的細小孔洞類缺陷，孔洞表面呈類似自由結晶狀形貌，而孔洞內存在眾多晶界裂紋，局部可見晶界熔融痕跡，與過燒缺陷[1-3]的特征相符。

由低倍檢驗結果可知：內齒圈不同方位的徑向截面中心區域均存在大量的細小孔洞類缺陷，齒根至心部存在通道，邊緣輪廓完好未見明顯缺陷，表明缺陷主要集中于截面心部；此外，內齒圈整個環形區域的徑向截面心部均存在細小孔洞類缺陷，邊緣輪廓未見異常，齒坯周圍不存在缺陷，表明該內齒圈心部的過燒缺陷與加熱工序無關。

由金相檢驗結果可知：在斷裂內齒圈徑向截面心部存在大量細小孔洞類缺陷，而孔洞邊緣發現有眾多脈狀氮化物組織，呈現河流狀，這表明氮化處理前心部孔洞已與齒輪表面相通，并且心部的孔洞處也因發生氮化而生成了氮化物。

材料過燒往往產生于加熱、鍛造及輾環等工序中。加熱工序產生的過燒往往是由表及里，且主要表現為網裂、沿晶氧化等[1-4]。在低倍檢驗中，邊緣輪廓未見異常，整個齒坯周圍不存在缺陷，表明該內齒圈心部的過燒缺陷與加熱工序無關。鍛造過程中產生的過燒特征往往與加熱過程中形成的特征相似，正火與調質工序的加熱溫度均較低，因此鍛造過程中基本不會形成心部過燒，并且內齒圈心部的孔洞類缺陷在氮化工序之前就已存在，此外，正常部位的晶粒度和顯微組織也證實了內齒圈心部過燒不是在這段時間產生的。基本可以確定內齒圈徑向截面心部孔洞缺陷產生于輾環工序。

金屬因塑性變形引起的鍛造溫度變化(ΔT)的計算公式為[4]

(1)

式中：η為排熱率；K為綜合影響系數；vε為應變速率；m為變形速率影響指數，與鋼材種類和變形溫度有關；σ0為基準流動應力；εp為變形體的等效應變增量；ρ為變形體的密度；c為變形體的比熱容。

當鋼材種類確定后，變形體的密度、變形體的比熱容、排熱率、綜合影響系數等參數為定值，影響鍛造溫度變化(ΔT)的因素僅為應變速率、變形速率影響指數、流動應力和等效應變增量，并與之正相關。此外，在選定設備后應變速率、變形速率影響指數、流動應力和等效應變增量均與變形量和變形速率相關，因此溫度變化為較大變形量及變形速率下能量轉換的表現。

在對內齒圈原材料進行輾環工序時，由于加熱溫度較高，接近固液相轉變點，若此時的變形量和變形速率過大，極易使材料的局部溫度升高，當局部溫度達到或超過液相點時，就會發生“形變過燒”?！靶巫冞^燒”往往出現于材料的內部，其表現為孔洞類缺陷，且局部具有疏松的特征，此外還會出現晶界熔融的痕跡[5-7]。

內齒圈原材料產生的孔洞及疏松類缺陷在形變載荷的作用下會發展成為細小裂紋，最終在內齒圈周向心部形成環形的細小孔洞及裂紋，在隨后的插齒過程中，缺陷“露頭”。當對材料進行氮化處理時，氮化氣氛沿孔洞及裂紋進入心部，導致心部孔洞和裂紋區域產生脈狀氮化物，極大地增加了內齒圈的脆性，最終在跌落時內齒圈因受沖擊載荷作用而發生脆斷。

3 結論及建議

不當的輾環工藝導致內齒圈產生形變過燒，進而在內齒圈心部產生了大量細小的孔洞及裂紋缺陷，機加工使心部缺陷“露頭”，并在隨后的氮化處理中生成了大量的脈狀組織，進一步增加了材料的脆性，降低了內齒圈的抗沖擊性，使其在跌落時稍受沖擊，載荷便會發生脆斷。

建議加強對鍛料加熱溫度的控制，并對輾環工藝進行優化。