40CrNiMo 齒輪表面開裂失效分析

文／李超越，梁國平，潘嘉玉·太原重型機械集團有限公司

本研究通過低倍分析、化學分析、非金屬夾雜物檢測、顯微組織分析和顯微硬度檢測等方法，對40CrNiMo 齒輪表面開裂進行了研究與分析。結果表明，齒輪表面開裂的主要原因是磨削工藝操作不當所致，同時，齒輪存在嚴重的枝晶偏析，造成內應力不均勻，對磨削開裂有促進作用。

材質為40CrNiMo 的齒輪產品經鍛造→調質→機加工(開坯)→中頻淬火→回火→磨齒等主要生產工序后，進行磁粉探傷發現多條小裂紋。

現場觀察

圖1 為齒輪表面開裂宏觀照片。圖1(a)和1(b)裂紋肉眼不可見，現場再次通過磁粉探傷觀察，在多個輪齒齒面可見裂紋，裂紋特別細小，長約5 ～20mm不等，齒面磨削表面粗糙度較差，機加工紋路明顯。

試驗分析

低倍試驗分析

根據GB/T 226-2015 對開裂齒輪截面進行熱酸浸試驗，試驗結果如表1 所示，齒輪鍛件枝晶偏析嚴重，均勻性差。齒輪截面低倍照片見圖2。

表1 截面熱酸浸試驗結果

圖2 齒輪截面低倍照片

化學成分試驗分析

對表面開裂齒輪進行化學成分檢測，結果如表2所示，齒輪成分符合40CrNiMo 鋼材質的技術要求。

表2 40CrNiMo 的化學成分(wt%)

非金屬夾雜物檢測

在開裂齒輪上取高倍試樣進行非金屬夾雜物的檢測，根據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》評定各類非金屬夾雜物級別，試驗結果如表3 所示，各類非金屬夾雜物含量的評級均滿足技術要求。

表3 非金屬夾雜物檢測結果

金相分析

在開裂齒輪表淬層、過渡層和心部，分別切取金相試樣進行晶粒度和顯微組織的檢測判定，結果如表4 所示。在齒輪表淬層晶粒度為10.0 級，顯微組織為微細馬氏體；在過渡層晶粒度為9.0 級，顯微組織為微細馬氏體+少量極細珠光體+少量鐵素體；齒輪心部晶粒度為7.0 級，顯微組織為回火索氏體+鐵素體+貝氏體。試驗結果表明，齒輪鍛件純凈度合格，晶粒度合格，表淬組織狀態正常，均在合格級別范圍內。齒輪不同位置顯微照片見圖3，圖3(a)為齒輪邊緣組織，圖3(b)為齒輪過渡層組織，圖3(c)為齒輪心部組織。

表4 金相組織、晶粒度檢測結果

圖3 齒輪不同位置顯微照片

顯微硬度

通過顯微硬度法測定齒輪硬化層的深度，齒輪表層顯微硬度變化曲線如圖4 所示，從圖4 中可以看出從齒輪表面向心部5.6mm 的硬度值約穩定在545HV，隨后硬度值開始迅速下降，最后在距離齒輪表面約8.7mm 處的硬度值開始穩定在260HV，有效硬化層深度為7.411mm。

圖4 齒輪硬化層硬度

裂紋分析

裂紋微觀形態呈現垂直由外而內開裂，裂紋尖端明顯可見沿晶界擴展，裂紋深度約為0.5mm，完全位于脆硬層內，裂紋旁組織為細微馬氏體，無脫碳現象，晶粒度10 級。齒輪裂紋顯微照片見圖5，圖5(a)為整條裂紋照片，圖5(b)為裂紋尖端照片。齒輪裂紋處顯微組織見圖6，圖6(a)～圖6(c)為裂紋周圍顯微組織。試驗結果表明，裂紋符合磨削裂紋形態。

圖5 齒輪裂紋顯微照片

圖6 齒輪裂紋處顯微組織

討論與分析

齒輪化學成分符合40CrNiMo 材質要求，鍛件純凈度、致密性合格，但存在嚴重的枝晶偏析，均勻性較差。嚴重的枝晶偏析系鋼錠偏析嚴重，鍛造過程中又未充分改善所致。嚴重的枝晶偏析可造成鋼中微區成分的偏析和不均勻。

齒輪采用中頻淬火，表淬組織為6 級，微細馬氏體，晶粒度10.0 級，屬于合格級別；表明表淬工藝合理，未發生過熱現象。

齒輪表面裂紋特別細小，肉眼宏觀不可見，磁粉探傷才可辨別。微觀形態垂直表面，由外而內沿晶界擴展，裂紋旁組織為微細馬氏體，無脫碳現象，均表明裂紋系典型磨削裂紋。磨削裂紋是磨削拉應力超過材料斷裂強度所致。磨削拉應力包括磨削加工應力和工件內應力，其中磨削加工應力與磨削進給量、砂輪銳利程度、冷卻液狀況、磨削角度有關。輪齒宏觀齒面明顯可見粗糙紋路，表明磨削量偏大或砂輪銳利程度不足，加之齒輪鍛件本身嚴重的枝晶偏析，造成表淬后內應力分布不均勻，對磨削開裂又有一定促進作用。在磨削過程中一旦應力超過材料斷裂強度，即引起磨削開裂。

結論

齒輪化學成分符合技術要求，齒輪鍛件純凈度、致密性合格，但存在嚴重的枝晶偏析，均勻較差。齒輪鍛件表淬層組織正常，表面中頻淬火工藝合理。齒輪表面裂紋系典型磨削裂紋，磨削裂紋形成主要原因系磨削工藝不當，同時，鍛件存在嚴重的枝晶偏析造成內應力不均勻，對磨削開裂有促進作用。