专业，行星齿轮热处理后开裂失效分析

应用于行星齿轮减速机的38件行星齿轮，其钢材18Cr2Ni4WA由A公司和B公司两个单位供货。这38件相同材料的行星齿轮经同炉热处理后，发现A公司供料的8件未见裂纹，而B公司供料的30件均有裂纹。

  行星齿轮材质为18Cr2Ni4WA钢，热处理工艺为：渗碳930℃ 1.1%C+930℃ 0.85%C+840℃ 0.68%C后炉冷至780℃出炉空冷，然后650℃两次高温回火，二次加热840℃ 0.68%保温4h后淬火，油淬（油温65℃）+深冷处理+回火工艺180℃保温6h。   出现的问题是：由A公司和B公司供应相同牌号的齿轮材料18Cr2Ni4W钢，在同炉中进行正火和高温回火以及后面相同工艺的渗碳、淬火后，出现了完全不同的结果 A公司材料的8件未见裂纹，B公司材料的30件均有裂纹。其原因是什么？这是目前我们最关心的问题。   通过宏观观察、微观观察、金相检查、硬度测试以及能谱分析，我们确定了行星齿轮的开裂性质，并对其开裂原因进行了分析。   结果表明：行星齿轮开裂性质为热处理内应力作用下产生的沿晶脆性开裂。A公司和B公司材料轮齿心部组织均为马氏体，B公司材料马氏体组织较粗大；B公司材料轮齿心部晶粒大小不均，且较A公司材料齿心部晶粒大；B公司材料齿心部硬度和齿面渗碳层硬度均较A公司材料高。B公司材料轮齿开裂与组织和晶粒粗大、晶粒大小不均匀以及硬度较高等因素有关。   1.试验过程与结果 （1）宏观观察 行星齿轮开裂宏观形貌如图1、图2所示。开裂位置均位于齿的两个端面附近。裂纹荧光检测显示如图3所示，裂纹靠近齿轮两端，呈八字形貌。裂纹宏观形貌如图4所示：端面上裂纹没有扩展到齿面层（见图4a），心部裂纹的张口最宽；齿面上的裂纹没有扩展到端面和齿顶（见图4b）。     图1  齿轮全貌、轮齿掉角 图2  齿轮掉皮、掉角   图3  荧光检测的裂纹   （a）端面上裂纹                                （b）齿面上的裂纹 图4  轮齿端面和齿面上的裂纹 裂纹断口宏观形貌如图5所示，各断口均呈一定金属光泽，断口尺寸较大的轮齿断口（称之为轮齿断口1），心部有一区域可见光亮的金属刻面（见图5a），断口较小的轮齿断口（称之为轮齿断口2）心部区域未见明显的金属刻面区（见图5b）。   （a）轮齿断口1                             （b）轮齿断口2 图5  轮齿断口1和断口2的形貌 （2）微观观察 将裂纹断口超声波清洗后进行微观观察。轮齿断口1的微观形貌如图6和图7所示，裂纹断口心部形貌具有沿晶断裂特征。断口心部金属刻面区微观形貌呈沿晶断裂特征，且晶粒较粗大，靠近心部区域呈沿晶+准解理特征，且随着向边缘靠近，准解理特征所占比重逐渐增加，渗碳层呈准解理特征。   （a）16                                     （b） 200 图6   轮齿断口1的微观形貌 （a）500                                       （b）500 图7  轮齿断口1渗碳层微观形貌 轮齿断口2的断口微观形貌与轮齿断口1相似，断口心部很小的区域呈沿晶断裂特征，且晶粒较粗大，心部其他区域呈沿晶+准解理特征，渗碳层呈准解理特征。   人工打断B公司和A公司材料的轮齿，断口均呈等轴韧窝特征，如图8、图9所示。 图8  B公司料断口（500 ） 图9  A公司料断口（500 ） 对轮齿断口1的裂纹断口进行能谱分析，结果如表1所示。裂纹断口未见明显异常元素。 表1  能谱分析结果（质量分数）            （%） （3）金相检查 金相检查取样：分别在B公司和A公司材料齿轮上从齿顶中心位置截取径向截面试样，磨、抛、腐蚀后进行金相组织检查。B公司和A公司材料轮齿的心部组织均为马氏体（见图10、图11），前者组织较粗大。 图10  B公司材料的心部组织  图11  A公司材料的心部组织  A公司材料轮齿边缘渗碳层碳化物呈网状分布（见图12），B公司材料轮齿边缘渗碳层碳化物网状分布不明显（见图13）。 图12  A公司材料渗碳层金相组织  图13  B公司材料渗碳层金相组织    轮齿断口1的裂纹断口沿晶开裂区附近为马氏体组织，如图14所示。B公司材料和A公司材料轮齿心部晶粒形貌如图15和图16所示。B公司材料轮齿心部晶粒大小不均匀，且晶粒明显较A公司材料轮齿心部晶粒粗大。 图14    断口沿晶开裂区附近金相组织  图15   B公司材料齿心部晶粒形貌  图16   A公司材料齿心部晶粒形貌 （4）硬度测量  分别从A公司材料和B公司材料齿轮上截取垂直于齿轮轴向的横截面试样，磨、抛后对齿心部进行显微硬度测试，结果如表2所示。B公司材料轮齿心部显微硬度平均值约为465.76HV，高于A公司材料齿心部显微硬度（427.90HV）。B公司材料轮齿心部显微硬度转换成洛氏硬度约为46.5HRC，A公司材料齿心部显微硬度转换成洛氏硬度约为44HRC，技术要求36～44HRC。 表2  齿轮齿心部显微硬度测试结果 （HV） 采用硬度梯度方法对渗碳层深度进行测量，渗层深度以550HV处深度为准，结果如表3所示。A公司材料齿面渗碳层深度为2.148mm，B公司材料齿面渗碳层深度为2.282mm，均符合2.0～2.4mm的技术要求。B公司材料齿面渗碳层硬度和深度均大于A公司材料。  

表3 齿轮齿面渗层硬度梯度  （HV）

2.分析与讨论 （1）宏观观察显示，齿端面上裂纹没有扩展到两侧齿面，齿面上裂纹没有扩展到端面和齿顶，横截面上裂纹心部张口最宽，裂纹断口均未见明显扩展台阶。由此可判断，齿轮从轮齿心部首先开裂。        齿轮磨削烧伤检测仪快速无损检测各种齿轮表面磨削烧伤情况    （2）微观观察显示，齿轮裂纹断口的心部，局部呈现沿晶开裂特征，心部其他区域呈现沿晶+准解理开裂特征。由此可判断行星齿轮开裂性质为沿晶脆性开裂。   （3）裂纹从心部开裂，裂纹断口心部呈沿晶特征，以及沿晶+准解理特征，而轮齿心部人工打开断口呈现韧窝特征。由此可判断，裂纹在高温内应力作用下形成。裂纹断口均呈一定的金属光泽，未见明显氧化。   （4）淬火过程中，渗碳层和基体由于温差和组织的差异，变形不一致而产生内应力。热处理产生的内应力都比较复杂。轮齿开裂的部位，均位于轮齿端面附近4个渗碳层交汇的基体及过渡层处，此区域正好具有较高的内应力。结合热处理工艺可判断，裂纹很有可能产生于第二次渗碳后的油淬工艺过程中。   （5）金相检查显示，B公司材料和A公司材料齿心部组织均为马氏体。与A公司材料相比，B公司材料马氏体组织较粗大，轮齿心部晶粒大小不均。   （6）硬度测试显示，B公司材料轮齿心部硬度和齿面渗碳层硬度均较A公司材料高。组织和晶粒粗大、晶粒大小不均匀以及硬度较高，均会促进淬火过程中裂纹的萌生。   （7）A公司材料和B公司材料齿轮，经过同炉和相同的热处理工艺过程，但出现完全不同的结果：A公司材料齿轮完好，而B公司材料掉皮、掉角。由此可判断，B公司和A公司的原材料应该存在一定差异。   3.结语与建议 综上所述，可得到以下结论： （1）根据断口的宏观观察和微观观察结果得知，行星齿轮开裂性质为热处理内应力作用下产生的沿晶脆性开裂。   （2）B公司材料马氏体组织较粗大，心部晶粒大小不均，且较A公司材料晶粒大，轮齿的心部硬度和齿面渗碳层硬度均较A公司材料高。由此可以判断，B公司材料轮齿开裂与马氏体组织粗大、晶粒大且大小不均匀、以及硬度较高等因素有关。   （3）行星齿轮材质为高强度中合金渗碳钢18Cr2Ni4WA。这是一种强度高，韧性、淬透性良好，缺口敏感性低的制造齿轮的高档材料，但是工艺性能较差，它对原材料的化学成分、晶粒度等的一致性要求较高，否则就会影响热处理工艺的合理安排。     更多相关信息》》》 青山控股将在津巴布韦生产不锈钢，总投资100亿美元 了解一下国外海洋工程用超级耐蚀合金 河钢厉害了！3D打印钛合金航空发动机零件 高温合金行业竞争格局 史上最全！18中合金元素在钢中的作用，值得一读 土壤污染治理修复，不走或尽可能少走弯路！