孫后金，劉春明，孫亞平，孫少楠

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前 言

22CrMoH鋼是一種重要的高淬透性齒輪用鋼，大量用于加工制造大、中型汽車(chē)的主/從動(dòng)錐齒輪［1］，錐齒輪的主要特點(diǎn)是可以承受較大的載荷，工作過(guò)程平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音小。國(guó)內(nèi)某齒輪生產(chǎn)商在加工完成品包裝或者裝配階段，發(fā)現(xiàn)齒輪表面存在縱向裂紋，委托山東壽光巨能特鋼公司進(jìn)行開(kāi)裂失效分析。為研究主動(dòng)錐齒輪產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因，對(duì)其化學(xué)成分、宏觀形貌、微觀組織、斷口形貌進(jìn)行了一系列分析檢測(cè)。

2 試驗(yàn)方法

用戶(hù)生產(chǎn)錐齒輪的具體加工工藝為：原材料鋸切下料→加熱鍛打（加熱溫度1 200±20 ℃）→毛坯正火（940 ℃）→機(jī)加工→滲碳淬火（溫度920～930 ℃；碳勢(shì)1.1～1.2，淬火油為好富頓淬火油，油溫60 ℃）→試樣清洗（清洗溫度70～100 ℃）→低溫回火（180～200 ℃）→矯直。

1）用光譜分析的方法對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，設(shè)備型號(hào)GS1000；制樣方法按照GB/T 20066。

2）對(duì)裂紋周邊組織及基體組織進(jìn)行了金相分析，設(shè)備型號(hào)Axio Scope.A1；制樣方法機(jī)械法。

3）對(duì)斷口組織進(jìn)行了掃描電鏡分析，設(shè)備型號(hào)EVO MA25；制樣方法機(jī)械法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分分析

對(duì)錐齒輪進(jìn)行取樣，用光譜分析的方法對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表1，符合22CrMoH齒輪鋼的技術(shù)要求。

表1 錐齒輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 試樣宏觀形貌

送檢樣件宏觀下觀察該失效件表面存在縱向開(kāi)裂，肉眼可見(jiàn)裂紋長(zhǎng)度約16 cm，裂紋比較平直，且在表面花鍵根部處張開(kāi)距離最大（約0.5 mm），切開(kāi)后裂紋最大深度約12.6 mm。

3.3 斷口宏觀分析

裂紋源產(chǎn)生于整個(gè)花鍵根部皮下約2～3 mm處，裂紋從此處開(kāi)裂并向左右兩側(cè)擴(kuò)展形成人字形裂紋，頂端指向裂紋源。宏觀觀察，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋源及整個(gè)斷口存在宏觀非金屬夾雜物。

3.4 高倍分析

對(duì)裂紋附近及中心基體取樣進(jìn)行高倍分析，如圖1所示，均為淬火＋低溫回火組織［2］，晶粒度均為6.5級(jí)。

對(duì)裂紋處進(jìn)行高倍分析，如圖2、3 所示，裂紋在皮下約2 mm 以下處裂口明顯加大，裂紋尾部及端部開(kāi)口相對(duì)較小，說(shuō)明裂紋在滲碳層下開(kāi)裂，豎直走向，向表面及內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋呈鋸齒形狀并沿晶開(kāi)裂，個(gè)別部位分叉，裂紋末端尖銳，符合應(yīng)力開(kāi)裂特征［3］，裂紋兩側(cè)沒(méi)有明顯的氧化脫碳或增碳，裂紋及附近未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物等冶金缺陷。由此認(rèn)為，裂紋是在熱處理之后產(chǎn)生的，可能是淬火裂紋。

3.5 掃描電鏡分析

對(duì)裂紋源處進(jìn)行掃描電鏡分析，見(jiàn)圖4。裂紋源距表面約2～3 mm，斷口較平坦，呈現(xiàn)解理斷裂特征。裂紋源呈放射狀擴(kuò)展，裂紋源及附近沒(méi)有非 金屬夾雜物等缺陷。

圖1 裂紋附近及中心基體處組織

圖2 裂紋附近及中心基體處晶粒度

圖3 裂紋高倍形貌

圖4 掃描電鏡形貌

4 結(jié) 論

4.1 從裂紋的形態(tài)判斷該裂紋屬淬火裂紋，裂紋處沒(méi)有氧化脫碳，確定裂紋是在回火之后開(kāi)裂到外圓表面的，從裂紋出現(xiàn)的時(shí)機(jī)來(lái)看，屬于放置后出現(xiàn)的回火延遲性裂紋，也稱(chēng)為置裂。

4.2 斷口分析發(fā)現(xiàn)裂紋起源于V型花鍵低部皮下約2～3 mm 處，處于滲碳層和基體的過(guò)渡部位，是壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變的區(qū)間，同時(shí)結(jié)合V型花鍵的缺口效應(yīng)，這時(shí)往往引起縱向淬火裂紋。

4.3 建議增加淬火液濃度，在保證淬透前提下降低淬火冷卻速度，提高回火溫度及增加回火時(shí)間，減少滲碳層和基體的過(guò)渡部位殘余應(yīng)力，降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。