陳永道

（南京高精傳動設(shè)備制造集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210012）

0 引言

某公司生產(chǎn)的第二級齒輪（M20，Z84，材質(zhì)20CrNi2Mo），鍛造后進(jìn)行正火處理，齒面經(jīng)920℃滲碳—660℃高回—820℃淬火—低回（200℃、230℃各一次）—噴丸—精車—磨內(nèi)孔—磨齒，要求有效硬化（HV500）層深≥4.0 mm，淬火硬度要求HRC 54－58，該齒輪磨齒后在雙聯(lián)齒的左旋齒的部分齒面（相鄰的6個齒）發(fā)現(xiàn)有磨削裂紋。由于該零件熱烘套輸出軸后才進(jìn)行磨齒的，發(fā)現(xiàn)僅6個齒面靠近齒根處有磨削裂紋。當(dāng)初第一時間拖回?zé)崽幚矸謴S進(jìn)行低溫回火去除應(yīng)力，接著采用指狀砂輪打磨裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋深度近1 mm。本著對用戶負(fù)責(zé)的態(tài)度，該公司最后決定將該齒輪報廢處理。為了查清楚該典型大型齒輪產(chǎn)生磨削裂紋的真正原因，現(xiàn)取樣對該齒輪進(jìn)行失效分析。

1 磨削裂紋的形態(tài)及產(chǎn)生原因分析

裂紋的形態(tài)為垂直于磨削方向且靠近齒根處，裂紋高度約為2－5 mm，如圖1所示。

圖1 裂紋出現(xiàn)的位置及形態(tài)

裂紋的數(shù)量分布情況（圖2），僅有6個左旋齒出現(xiàn)裂紋，有裂紋的左旋齒（從左向右）每個齒上的裂紋數(shù)量依次為2－1－4－6－8－5，而右旋齒的所有齒都沒有出現(xiàn)磨削裂紋。

圖2 裂紋的數(shù)量分布情況

此種裂紋屬于典型的磨削拉應(yīng)力裂紋，產(chǎn)生該種拉應(yīng)力裂紋除了跟磨削深度、進(jìn)給量、磨削冷卻液、砂輪和工作臺轉(zhuǎn)速、砂輪目數(shù)、砂輪的硬度、砂輪的修整等齒面磨削直接相關(guān)的因素有關(guān)外，與原材料的化學(xué)成分、非金屬夾雜物、原材料的預(yù)處理狀態(tài)，以及滲碳質(zhì)量（滲碳層K的大小/數(shù)量/分布/形態(tài)、Ar含量、M震的大小/形態(tài)、低溫回火組織和低回后的硬度、強化噴丸的效果）等綜合因素都可能有關(guān)。

2 代表性試樣的選取及檢測分析

2.1 取樣及試樣編號說明

為了取下與報廢的齒輪套裝的輸出軸，該公司對此報廢的齒輪進(jìn)行了切割，如圖3和圖4。其中圖3所示的半個齒輪其齒面均沒有發(fā)現(xiàn)磨削裂紋，圖4所示的半個齒輪中的空缺部位是線切割取A1齒形樣（無磨削裂紋處取樣）、B1齒形樣（有磨削裂紋處取樣）的部位，取樣照片如圖5。

圖3 齒面均沒有磨削裂紋的半個齒輪

圖6為取下的小試樣A1，B1，A1試樣的拋光檢測面是標(biāo)識“A1”齒面的右側(cè)面，其拋光面的左側(cè)齒面是工作面，右側(cè)齒面是非工作面;B1試樣的拋光檢測面是標(biāo)識“B1”齒面的左側(cè)面，其拋光面的右側(cè)齒面是工作面，左側(cè)齒面是非工作面。

圖6 試樣A1，B1的拋光檢測面

2.2 化學(xué)成分分析

齒輪化學(xué)成分分析:如表1，結(jié)果符合 JB/T6395－1992技術(shù)要求。

表1 幾種常用水潤滑軸承材料性能比較 %

2.3 鋼中非金屬夾雜物檢查（圖7～圖14）

從齒部取樣磨制拋光后，按照GB/T10561－89《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》標(biāo)準(zhǔn)JK評級圖A法評定，A，B，C三類非金屬夾雜均為1級，D類夾雜為1.5級。

2.4 對試樣 A1，B1進(jìn)行滲碳層組織的檢測

2.5 對齒形試樣A1，B1的硬度梯度檢測

圖15為A1，B1齒根試樣的硬度梯度比較。

圖15 A1，B1齒根試樣的硬度梯度比較

圖16為A1，B1齒形試樣工作面及非工作面硬度梯度比較。

圖16 A1，B1齒形試樣工作面及非工作面硬度梯度比較

2.6 滲碳層金相組織和硬度梯度數(shù)據(jù)分析

a）硬度梯度數(shù)據(jù)分析

總體看來，磨削后的該零件工作面和非工作面的硬度梯度均比較平緩，磨削后的齒面硬度均在HRC57－58。硬度雖然符合圖樣技術(shù)要求，但是為了給后續(xù)的磨削創(chuàng)造更佳的條件，可以在滲碳淬火工藝過程中，適當(dāng)降低零件的齒面硬度［1］至HRC54－56。通過此A1，B1齒形試樣工作面及非工作面硬度梯度比較和A1，B1齒根試樣的硬度梯度比較可以看出:

1）根據(jù)圖15可以看出經(jīng)磨削后A1齒形試樣所在的沒有出現(xiàn)磨削裂紋區(qū)域的工作面和非工作面的硬化層深均約在4.3 mm/HV500。據(jù)此可以得出在A1試樣所處的零件的上端面的漲大量比較均勻，沒有出現(xiàn)偏向齒的一側(cè)的不規(guī)則變形。

2）根據(jù)圖15可以看出經(jīng)磨削后B1齒形試樣所在的出現(xiàn)磨削裂紋區(qū)域的工作面和非工作面的硬化層深分別為:4.1 mm/HV500、4.5 mm/HV500。據(jù)此可以得出在 B1試樣所處的發(fā)現(xiàn)磨削裂紋的零件的下端面的局部區(qū)域出現(xiàn)較大的偏向工作面一側(cè)的不規(guī)則變形。在磨削過程中若不能找到此畸變高點，就會造成局部磨削熱過高而產(chǎn)生磨削裂紋［1］。

3）通過圖16可以看出沒有出現(xiàn)磨削裂紋和出現(xiàn)磨削裂紋區(qū)域的齒根層深基本一致，約為3.2 mm/HV500，且齒根硬度大致相同，也表明淬火—低回后的強化噴丸效果也是大致相同的，即排除了噴丸效果異同的影響。

b）滲碳層金相組織分析

1）從取樣A1，B1磨削后的齒面和未經(jīng)磨削的齒頂?shù)慕鹣嘟M織來看，滲碳淬火后表面的Ar很少，基本上在1級左右;M也很少，基本上在1～2級。

2）從發(fā)現(xiàn)裂紋的打磨凹坑處（靠近齒根，磨削量很少）的金相照片來看，磨削前的M在2～3級，這說明淬火溫度的設(shè)定還可以再略低一些，可以將淬火溫度由820℃降至800℃。

3）從工作面和非工作面上K的等級差異，并接合齒頂部位K的等級來看，磨削前齒面的K基本上在2～3級。

3 結(jié)語

1）滲碳層硬度梯度分布平緩，磨齒后齒面的硬度和滲碳層深度滿足設(shè)計要求。

2）滲碳層組織合格，有磨削裂紋和沒有磨削裂紋處齒面的表層組織基本沒有差別。

3）零件經(jīng)滲碳淬火后，其上下兩端面尤其是發(fā)現(xiàn)磨削裂紋的左旋齒局部區(qū)域可能出現(xiàn)了不規(guī)則變形，此不規(guī)則變形可能與鍛后的正火不充分或者不均勻有關(guān)。磨齒工在進(jìn)行齒面磨削時，沒有找到此畸變高點，從而導(dǎo)致在此畸變高點附近的磨削切削量太大，且砂輪在靠近齒根處的線速度最大，切削熱得不到及時有效的散去，致使齒根處產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)磨削裂紋。為了更加有效的對該齒輪進(jìn)行預(yù)處理以及給該齒輪滲碳層提供更多的殘余壓應(yīng)力［2］，建議將滲碳前的預(yù)處理由正火處理改成調(diào)質(zhì)處理。

4）滲碳淬火后的M雖然也符合熱處理標(biāo)準(zhǔn)，接合實際齒面硬度為HRC57－58（在技術(shù)要求的上限），可以將淬火溫度由820℃降至800℃［3］，從而將零件的齒面硬度降至技術(shù)要求的中限，給后續(xù)的磨削創(chuàng)造更佳的條件。

［1］王秀芹.如何防止?jié)B碳淬火齒輪磨削裂紋的產(chǎn)生［J］.煤礦機(jī)械，2005（8）:75-76.

［2］王愛香.防止20CrMnMo鋼齒輪磨削裂紋熱處理工藝研究［J］.國外金屬熱處理，1999（2）:31-34.

［3］樊東黎.熱處理工程師手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.