錢志高 張偉

[摘? ? 要 ]齒輪軸是一種金屬圓桿狀的機械零件，主要用于支撐轉(zhuǎn)動零件，并與之一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞運動、扭矩或彎矩。在加工制造或?qū)嶋H應用中，齒輪軸可能會出現(xiàn)各種質(zhì)量問題，其中縱向延遲開裂是一種較為常見的情況。本文針對某齒輪軸樣品的縱向延遲開裂問題，分別進行了化學成分檢驗、金相檢驗、顯微組織檢驗等一系列工作，根據(jù)檢驗結(jié)果分析、判斷了導致開裂的具體原因，即殘余應力作用下的氫延遲開裂。最后提出了針對性的解決建議。

[關(guān)鍵詞]齒輪軸;縱向延遲開裂;金相檢驗;斷口分析

[中圖分類號]TH132.41 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Gear shaft is a kind of metal rod-shaped mechanical parts， which is mainly used to support rotating parts and rotate with them， so as to transfer motion， torque or bending moment. In manufacturing or practical application， there may be a variety of quality problems of gear shaft， in which longitudinal delayed cracking is a common case. Aiming at the problem of longitudinal delayed cracking of a gear shaft sample， a series of work such as chemical composition inspection， metallographic inspection and microstructure inspection were carried out respectively. According to the inspection results， the specific cause of cracking was analyzed and judged， that is， hydrogen delayed cracking under residual stress. Finally， the paper puts forward some suggestions.

[Keywords]gear shaft; longitudinal delayed cracking; metallographic examination; fracture analysis

作為機械裝置的重要零件，齒輪軸的質(zhì)量將會對機械裝置的運行效率和使用安全產(chǎn)生直接影響。某齒輪軸的材質(zhì)為20CrMnTi，加工處理流程為：棒料、機械加工、表面氣體滲碳、淬火、低溫回火。同一批次的齒輪軸中，有較多的零件均出現(xiàn)了縱向裂縫，因為達不到驗收標準而無法交付。因此，必須要通過深入分析，明確導致齒輪軸縱向開裂的具體原因，然后采取改良工藝和處理措施，降低經(jīng)濟損失。

1 產(chǎn)品理化檢驗

1.1 化學成分檢驗

從齒輪軸上取少量樣品，使用光譜儀進行化學成分分析。根據(jù)光譜儀分析結(jié)果，主要元素的質(zhì)量分數(shù)如下：碳0.21%、硅0.28%、錳1.05%、鉻1.30%、鈦0.05%、磷0.02%。用實測值和標準值進行對照，發(fā)現(xiàn)各類元素的質(zhì)量分數(shù)全部在標準范圍以內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)異常，符合《合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T3007-2015）》中對20CrMnTi鋼的成分要求。

1.2 金相檢驗及斷口分析

從齒輪軸上切割少部分作為試樣，使用工具將其磨制、拋光后，放于金相顯微鏡下進行觀察。在左側(cè)端面上，可以發(fā)現(xiàn)有一處較為明顯的開裂，從端部軸壁向下貫穿于機加工的內(nèi)孔。此處開裂為上寬下窄，端部裂口最寬處達到了1.3 mm。裂縫在內(nèi)孔處停止，未擴展到右側(cè)端面。裂紋較為平直，只有在軸體結(jié)構(gòu)突變部位有輕微的變形。進一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，整條裂紋自始至終貫通，未出現(xiàn)斷續(xù)情況。該裂紋的形狀特征與淬火應力下開裂裂紋的特征相符合。

在完成表面觀察后，使用工具將裂紋啟開，對裂紋內(nèi)部情況做進一步的觀察和檢驗?？梢园l(fā)現(xiàn)，在齒輪軸的齒根表面1.4 mm×3.1 mm的長方形范圍內(nèi)，出現(xiàn)了裂紋。并且該裂紋從表層向深部繼續(xù)擴展，裂紋的末端已經(jīng)達到了齒輪軸的中心區(qū)域。另外，在顯微鏡下還觀察到一條長度為1.4 mm，主要成分為鎂鋁氧化物的大尺寸非金屬夾雜物的起裂源。從分布位置上來看，該起裂源靠近滲碳淬硬層，在基體過渡區(qū)上方。非金屬夾雜物的兩側(cè)，可以觀察到脆性沿晶（靠近滲碳淬硬層）和穿晶準解理（靠近基體過渡區(qū)）的混合斷口。在起裂源右側(cè)2.7 mm處的梭型凹坑內(nèi)，還發(fā)現(xiàn)了另一處長度為1.7 mm的大尺寸夾雜物。進一步分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物成分、外貌特征等，與上一處起裂源相似。參照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法（GB/T10561-2005）》中的評定標準，觀察到的兩處起裂源大尺寸夾雜物的級別相當于B2.5級。

1.3 硬度檢驗及滲碳層深度測試

材料的環(huán)向抗拉強度為1100 MPa，規(guī)定非比例延伸強度為840MPa，斷后伸長率為14%，斷面收縮率為60%。齒腰處測得的表面滲碳硬化層深度為1.37 mm，輪齒心部組織的平均硬度為430HV0.5，不同測試點顯微硬度值相差可達40HV0.5，存在硬度分布不均勻問題。材料力學性能和表面滲碳層深度均符合相關(guān)的技術(shù)條件要求。

1.4 顯微組織檢驗

斷裂源區(qū)附近的橫剖面低倍組織比較均勻，除輕微的錠型偏析外，未見其它低倍組織缺陷。從低倍試樣上還可以看到，淬火裂紋基本上沿徑向擴展，從表面到心部裂紋比較平直，通過心部后擴展方向才發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明裂紋擴展方向主要受淬火應力控制。在齒輪軸的縱向切割斷面上，可以發(fā)現(xiàn)半徑1/2處，以及裂紋源附近，分別含有較為明顯的非金屬夾雜物。通過提取這些夾雜物并進行成分分析，發(fā)現(xiàn)以點狀氧化物為主，同時還含有少量的硫化物。提取齒輪軸表面滲碳層材料進行分析，結(jié)果表明材料屬于針狀回火馬氏體組織;按照同樣的方法，對齒輪軸心部材料進行分析，結(jié)果明顯材料屬于板條狀回火馬氏體組織。兩處材料的檢查結(jié)果均發(fā)現(xiàn)了較為嚴重的帶狀顯微偏析。將上述觀察及分析結(jié)果，對照《金屬平均晶粒度測定方法（GB/T6394-2002）》中的相關(guān)規(guī)定，確定齒輪軸心部原奧氏體晶粒度為8.0級。

在顯微觀察中，使用高倍鏡觀察到，在裂紋兩側(cè)并未出現(xiàn)材料氧化、脫碳的情況，這也側(cè)面印證了裂縫是在齒輪軸熱處理環(huán)節(jié)出現(xiàn)的。進一步觀察裂縫的紋路及走向，從位于材料內(nèi)部的起裂源，沿著晶界由內(nèi)而外的向表層延伸。這種分布形態(tài)與一般的調(diào)質(zhì)熱處理裂紋不匹配。提取裂縫兩側(cè)和斷口處的夾雜物，其顏色為灰褐色，使用色譜儀分析后，判斷該夾雜物的主要成分時FeS-FeO。同樣的，這類物質(zhì)也不可能在調(diào)質(zhì)熱處理的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生。綜合上述條件，可以推斷出該裂紋的形成，是熱處理環(huán)節(jié)鍛造工藝不當或操作方法不當引起的。例如，在熱處理時加熱時間過長，導致材料中的MnS被氧化，成為了MnO，同樣的，一部分Fe和S結(jié)合生成了FeS、還有一部分Fe氧化又生成了FeO。最終產(chǎn)物FeS-FeO在裂縫處不斷積累，引起熱脆，即鍛造過程中發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)的穩(wěn)定過熱。在齒輪軸的加工工藝中，雖然經(jīng)過鍛造處理后，齒輪軸的表面為由立刻出現(xiàn)裂紋，但是在內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)上，晶界已經(jīng)發(fā)生了較為嚴重的脆化。熱處理中因為應力集中，內(nèi)部脆化部分形成了裂縫，然后這些裂縫不斷發(fā)育，由內(nèi)而外的擴展，最終在齒輪軸的表面觀察到縱向裂縫。

2 齒輪軸縱向延遲開裂的原因分析

結(jié)合齒輪軸的尺寸以及裂縫的寬度，可以計算出起裂源處的彈性應變量。在此基礎上，繪制出彈性應力應變曲線，根據(jù)曲線能夠粗略估算起裂源位置，經(jīng)過熱處理后周向殘余拉應力約為620 MPa。由于該批次的齒輪軸剛制作完成、并未投入使用，在存儲期間沒有受到其他作用力的影響，可以初步排除是外部作用力導致的裂紋。同時，根據(jù)觀察和分析起裂源周邊拉伸斷口和沖擊斷口，發(fā)現(xiàn)兩處斷口都是以準解理斷口為主，這與起裂源斷口的特征并不相同。根據(jù)這一現(xiàn)象，進一步驗證了齒輪軸的裂紋與外力過載沒有直接聯(lián)系。另外，結(jié)合之前的觀察和分析，可知在起裂源區(qū)的裂縫斷口處，分布著較多的脆性沿晶。而脆性沿晶的形成，是氫致延遲斷裂的一種典型特征。根據(jù)作用形式的不同，又可以分成外部氫和內(nèi)部氫導致材料脆化、引發(fā)開裂的2種情況。具體到待測齒輪軸來說，結(jié)合前期觀察結(jié)果和放置環(huán)境，空氣干燥，未發(fā)現(xiàn)銹蝕痕跡，不具備外部氫導致材質(zhì)脆化的條件，因此判斷為內(nèi)氫延遲斷裂。

根據(jù)以往的經(jīng)驗，對于高強度的鋼材料，發(fā)生氫致延遲斷裂主要與2種因素直接相關(guān)，其一是應力過于集中，其二是氫的富集。正常情況下，根據(jù)《合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T3007-2015）》中對20CrMnTi鋼的成分要求，氫的質(zhì)量分數(shù)應控制在0.7×10-5以下，但是實際測量值達到1.2×10-5，氫含量超標。當材料局部的氫含量和應力值，超出了最大允許范圍時，就會因為氫的富集，加速材料的脆化。與此同時，因為應力集中，導致脆化的材料發(fā)生延遲斷裂。另外，當齒輪軸發(fā)生縱向開裂后，裂縫中存在的非金屬夾雜物，還會對氫原子產(chǎn)生吸附作用。從而使周邊的氫原子，或是外部氫原子不斷的向裂縫位置移動、富集，最終裂縫處的局部氫含量明顯超出正常值，促使裂縫進一步發(fā)育、擴展。大尺寸非金屬夾雜物的存在導致高強度鋼的連續(xù)性受到了破壞，開裂處能夠承受的最大應力值也低于其他正常位置，這也會導致材料的延遲開裂進一步加劇。

齒輪軸表面經(jīng)滲碳硬化處理后，沿深度方向碳含量分布形成較大的梯度，因此淬火后馬氏體相變產(chǎn)生的體積變化不同，表面層殘余應力的總體分布是表層滲碳區(qū)為壓應力，滲碳層下過渡區(qū)殘余應力逐漸由最大壓應力過渡到最大拉應力。所分析齒輪軸表面下方2.2～2.5 mm深度處的硬度接近基體，為最大殘余拉應力分布區(qū)域?？梢姡鸭y源處的非金屬夾雜物恰位于最大殘余拉應力區(qū)。裂紋源右側(cè)夾雜物雖然尺寸更大且周圍已發(fā)生氫致延遲裂紋，但由于其位置更深，殘余拉應力值略低，因而沒有先于源區(qū)的裂紋發(fā)生大面積擴展。

在前期的金相檢驗中，起裂源區(qū)的夾雜物不易檢測，給檢驗、分析帶來了一定的難度。究其原因，與夾雜物的來源有密切關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，這些夾雜物都屬于外源性非金屬夾雜物，而普通的金相檢驗，只能檢測到內(nèi)生性非金屬夾雜物。為了準確識別起裂源區(qū)夾雜物的成分、特征，考慮使用無損檢測代替金相檢驗。從實際應用效果來看，無損檢測通過非接觸式的方式，對裂縫內(nèi)存在的夾雜物進行準確識別，為分析延遲開裂提供了必要的參考。此外，根據(jù)觀察和分析，齒輪軸還表現(xiàn)出較為明顯的帶狀顯微偏析。材料硬度并不均勻，起裂源就分布在硬度偏小的區(qū)域。

3 結(jié)論及建議

3.1 分析結(jié)論

通過開展一系列實驗和分析，可以確定該齒輪軸的裂縫，是熱處理過程中產(chǎn)生的殘余應力過于集中，加上內(nèi)部氫在局部富集，導致材料脆性增強，因為應力過載而引發(fā)的延遲開裂。開裂方向與應力方向相同，故表現(xiàn)為縱向裂縫。其中，齒根下方既是拉應力區(qū)，同時又容易集聚非金屬夾雜物，這是導致裂縫形成后，繼續(xù)發(fā)育和擴展的重要原因。在齒輪軸的加工過程中，經(jīng)過熱處理環(huán)節(jié)后，材料局部硬度發(fā)生變化，導致硬度不均勻，在硬度偏小的區(qū)域，齒輪軸材料的環(huán)向力學性能遭到了破壞，也是引起氫致延遲開裂的又一重要原因。

3.2 解決建議

在檢驗方面，齒輪軸送檢時應當將大尺寸非金屬夾雜物作為重點檢查對象。如果常規(guī)的金相檢驗不能準確、清晰的觀察到非金屬夾雜物，還應考慮使用無損檢測。在加工方面，在齒輪軸的加工工藝中，可以適當增加回火溫度，并且相應的縮短加熱時間。這樣能夠有效降低熱處理環(huán)節(jié)中的殘余應力，從而降低了出現(xiàn)延遲開裂的概率。

結(jié)語：齒輪軸的斷裂是生產(chǎn)制造和使用運行中較為常見的一類故障。使用過程中出現(xiàn)斷裂，可能與荷載過大等外部因素有關(guān)。但是如果剛出廠、未使用的齒輪軸出現(xiàn)了開裂，則考慮是生產(chǎn)工藝出現(xiàn)了問題。為了從源頭上解決問題、遏制損失，必須要選取出現(xiàn)裂縫的齒輪軸樣品進行檢驗和分析。在本文的研究中，針對斷裂的齒輪軸樣品，分別進行了金相檢驗、斷口分析、化學成分檢驗、顯微組織檢驗等一系列工作。根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和檢驗的結(jié)果，最終判斷該齒輪軸的斷裂，屬于氫致延遲開裂。氫原子在局部富集，導致鋼材料的脆性增強。同時，由于應力集中，引起裂縫。明確了原因后，提出了提升回火溫度并縮短加熱時間的解決建議。經(jīng)過工藝改良后，新生產(chǎn)的齒輪軸未再發(fā)現(xiàn)縱向延遲開裂的情況，問題得到了解決。

參考文獻

[1] 陳慧，徐瑾.旋挖鉆機動力箱內(nèi)齒輪軸輪齒斷裂分析及改進建議[J].工程機械，2020（2）：75-80.

[2] 李本軍，王東霞，崔東偉，等.某變速器中間軸齒輪斷齒失效分析[J].機械工程師，2020（3）：131-133.

[3] 楊娥，周楊，楊智，等.20MnCr5鋼齒輪軸滲碳淬火后表面缺陷原因分析[J].理化檢驗（物理分冊），2019（15）：127-128.