深層滲碳重載齒軸失效分析
2009-07-21 葛利玲
（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系）
（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系）
摘 要：某軋鋼機(jī)上的齒軸，使用僅一年就產(chǎn)生了嚴(yán)重的剝落和斷齒。經(jīng)分析，齒袖失效的主要原因是滲出碳層碳量低、有效硬化層過淺、表層內(nèi)氧化嚴(yán)重以及表層硬度低，從而使齒抽的強(qiáng)度和接觸疲勞壽命下降，其次原始組織中枝晶偏析嚴(yán)重和齒軸工作時(shí)潤(rùn)滑條件差也是造成齒軸失效的原因之一。
某鋼廠的高級(jí)粗軋機(jī)減速齒軸，使用僅一年，就發(fā)生了嚴(yán)重的剝落和斷齒。現(xiàn)所分析的齒軸為主動(dòng)齒軸，重486kg，外形尺寸Φ489/ Φ220×1546mm，模數(shù)12。材質(zhì)J20CrNi2Mo，技術(shù)要求為;齒面硬度HRC58～62，有效硬化層深度2.36～3.18mm，齒軸工藝流程:鍛造→粗加工→正火→粗銑齒→涂覆滲碳→淬火+回火→精加工。
1 宏觀分析
齒軸剝落的宏硯形貌見圖1(圖1為齒軸的局部形貌浪)。在齒軸未剝落處取樣發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，其裂紋形態(tài)見圖2。由圖2a知，裂紋首先萌生于節(jié)圓與齒根之間的過渡層處(距表面約3mm)，并且裂紋由里向外發(fā)展，與此同時(shí)裂紋沿工作面向齒頂發(fā)展，使工作面剎落。由圖2b知，齒頂表面往里約1.5mm處也有裂紋產(chǎn)生，產(chǎn)生后先沿齒面發(fā)展，而后是呈一定角度向表面擴(kuò)展。
某鋼廠的高級(jí)粗軋機(jī)減速齒軸，使用僅一年，就發(fā)生了嚴(yán)重的剝落和斷齒。現(xiàn)所分析的齒軸為主動(dòng)齒軸，重486kg，外形尺寸Φ489/ Φ220×1546mm，模數(shù)12。材質(zhì)J20CrNi2Mo，技術(shù)要求為;齒面硬度HRC58～62，有效硬化層深度2.36～3.18mm，齒軸工藝流程:鍛造→粗加工→正火→粗銑齒→涂覆滲碳→淬火+回火→精加工。
1 宏觀分析
齒軸剝落的宏硯形貌見圖1(圖1為齒軸的局部形貌浪)。在齒軸未剝落處取樣發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，其裂紋形態(tài)見圖2。由圖2a知，裂紋首先萌生于節(jié)圓與齒根之間的過渡層處(距表面約3mm)，并且裂紋由里向外發(fā)展，與此同時(shí)裂紋沿工作面向齒頂發(fā)展，使工作面剎落。由圖2b知，齒頂表面往里約1.5mm處也有裂紋產(chǎn)生，產(chǎn)生后先沿齒面發(fā)展，而后是呈一定角度向表面擴(kuò)展。
.gif)
2 微觀分析
2.1 夾雜物評(píng)定
按照標(biāo)準(zhǔn) “鋼中非金屬夾雜物金相評(píng)級(jí)圖片”，齒軸中的失雜物為分散形脆性夾雜，級(jí)別1～2。
2.2 金相組織
經(jīng)金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，齒頂表層存在嚴(yán)重的內(nèi)氧化(又稱黑色組織》見圖3，其深度為0.35mm，齒的側(cè)面因精加工量較大，已將黑色組織磨去。表層組織為：細(xì)小針狀回火馬氏體+殘余奧氏體+極經(jīng)小的碳化物(見圖4)。心部組織為：隱晶馬氏體+未溶鐵素體，但由于原始組織中枝晶偏析嚴(yán)得(在宏觀下明顯可見)，使未溶鐵素體分布不均勻，按照J(rèn)B1673-75"汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)”，未溶鐵素體級(jí)別7-8，超標(biāo)。
2.1 夾雜物評(píng)定
按照標(biāo)準(zhǔn) “鋼中非金屬夾雜物金相評(píng)級(jí)圖片”，齒軸中的失雜物為分散形脆性夾雜，級(jí)別1～2。
2.2 金相組織
經(jīng)金相顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，齒頂表層存在嚴(yán)重的內(nèi)氧化(又稱黑色組織》見圖3，其深度為0.35mm，齒的側(cè)面因精加工量較大，已將黑色組織磨去。表層組織為：細(xì)小針狀回火馬氏體+殘余奧氏體+極經(jīng)小的碳化物(見圖4)。心部組織為：隱晶馬氏體+未溶鐵素體，但由于原始組織中枝晶偏析嚴(yán)得(在宏觀下明顯可見)，使未溶鐵素體分布不均勻，按照J(rèn)B1673-75"汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)”，未溶鐵素體級(jí)別7-8，超標(biāo)。
.gif)
3 硬度測(cè)定
齒表面HRC53、55、56，低于技術(shù)要求。齒心部HRC30、29、35，低于Z佳范圍35-40。
4 有效硬化層深度測(cè)定
從節(jié)圓向心部測(cè)得顯微硬度見圖5，可知。滲碳總深度達(dá)4.3mm，但有效硬化層(HV0.1550以上)深度僅有1.70mm，低于技術(shù)要求，而且表面硬度低頭較大較深。硬度峰值處的碳化物分布均勻細(xì)小，見圖6。碳化物尺寸0.4mm。越遠(yuǎn)離峰值處，碳化物越少。過渡區(qū)較陡，強(qiáng)度較低。
齒表面HRC53、55、56，低于技術(shù)要求。齒心部HRC30、29、35，低于Z佳范圍35-40。
4 有效硬化層深度測(cè)定
從節(jié)圓向心部測(cè)得顯微硬度見圖5，可知。滲碳總深度達(dá)4.3mm，但有效硬化層(HV0.1550以上)深度僅有1.70mm，低于技術(shù)要求，而且表面硬度低頭較大較深。硬度峰值處的碳化物分布均勻細(xì)小，見圖6。碳化物尺寸0.4mm。越遠(yuǎn)離峰值處，碳化物越少。過渡區(qū)較陡，強(qiáng)度較低。
.gif)
5 討論與結(jié)論
由以上檢驗(yàn)結(jié)果可知，該齒軸滲層碳含量低，致使表面硬度不夠和有效硬化層過淺。滲層中碳含量低的原因是采用涂覆滲碳法，因涂膏的厚度有限，提供的碳勢(shì)不夠，在930℃的高溫下，時(shí)間稍長(zhǎng)。巳滲進(jìn)去的碳向齒的邊緣和心部擴(kuò)散，導(dǎo)致了圖5中的硬度分布。這種硬度分布使應(yīng)力分布不對(duì)稱，造成外拉應(yīng)力；加之過渡區(qū)較陡、強(qiáng)度低，因而在過渡區(qū)首先產(chǎn)生裂紋，并在拉應(yīng)力作用下向外發(fā)展，形成圖2a的裂紋形貌，使硬化層剝落，又因組織中的枝晶偏析導(dǎo)致心部存在大量鐵素體，使得心部硬度與強(qiáng)度下降。加之齒軸工作環(huán)境中稀油站清潔度不夠，含有較多泥砂，油路不楊，油溫偏高，軋制溫度低，加大了傳動(dòng)齒軸的負(fù)荷，這些因素加速了裂紋擴(kuò)展，使剝落的齒抽迅速發(fā)晨為斷齒。嚴(yán)重的內(nèi)氧化使疲勞強(qiáng)度下降，同時(shí)會(huì)促進(jìn)誘發(fā)接觸疲勞裂紋早期萌生與擴(kuò)展，從而加劇接觸疲勞的發(fā)生與發(fā)展。
可見齒軸失效的主要原因是涂覆滲碳法用于深層滲碳時(shí)，因徐覆的厚度有限，所提供的碳勢(shì)不夠，導(dǎo)致滲層中碳含量低，表面硬度低和有效硬化層過淺。同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)氧化，這些均使齒軸的強(qiáng)度不足，在較高應(yīng)力載荷作用下，接觸疲勞壽命將顯著下降。又因枝晶偏析不但心部強(qiáng)度不足，而且影響滲碳質(zhì)量，也會(huì)使表面硬度下降，加之潤(rùn)滑介質(zhì)等外界因素不良，加速了齒軸的失效過程，從而使齒軸過早地失效。
由以上檢驗(yàn)結(jié)果可知，該齒軸滲層碳含量低，致使表面硬度不夠和有效硬化層過淺。滲層中碳含量低的原因是采用涂覆滲碳法，因涂膏的厚度有限，提供的碳勢(shì)不夠，在930℃的高溫下，時(shí)間稍長(zhǎng)。巳滲進(jìn)去的碳向齒的邊緣和心部擴(kuò)散，導(dǎo)致了圖5中的硬度分布。這種硬度分布使應(yīng)力分布不對(duì)稱，造成外拉應(yīng)力；加之過渡區(qū)較陡、強(qiáng)度低，因而在過渡區(qū)首先產(chǎn)生裂紋，并在拉應(yīng)力作用下向外發(fā)展，形成圖2a的裂紋形貌，使硬化層剝落，又因組織中的枝晶偏析導(dǎo)致心部存在大量鐵素體，使得心部硬度與強(qiáng)度下降。加之齒軸工作環(huán)境中稀油站清潔度不夠，含有較多泥砂，油路不楊，油溫偏高，軋制溫度低，加大了傳動(dòng)齒軸的負(fù)荷，這些因素加速了裂紋擴(kuò)展，使剝落的齒抽迅速發(fā)晨為斷齒。嚴(yán)重的內(nèi)氧化使疲勞強(qiáng)度下降，同時(shí)會(huì)促進(jìn)誘發(fā)接觸疲勞裂紋早期萌生與擴(kuò)展，從而加劇接觸疲勞的發(fā)生與發(fā)展。
可見齒軸失效的主要原因是涂覆滲碳法用于深層滲碳時(shí)，因徐覆的厚度有限，所提供的碳勢(shì)不夠，導(dǎo)致滲層中碳含量低，表面硬度低和有效硬化層過淺。同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)氧化，這些均使齒軸的強(qiáng)度不足，在較高應(yīng)力載荷作用下，接觸疲勞壽命將顯著下降。又因枝晶偏析不但心部強(qiáng)度不足，而且影響滲碳質(zhì)量，也會(huì)使表面硬度下降，加之潤(rùn)滑介質(zhì)等外界因素不良，加速了齒軸的失效過程，從而使齒軸過早地失效。