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深层渗碳重载齿轴失效分析
2009-07-21 葛利玲
（西安理工大学材料科学与工程系）
（西安理工大学材料科学与工程系）
摘 要：某轧钢机上的齿轴，使用仅一年就产生了严重的剥落和断齿。经分析，齿袖失效的主要原因是渗出碳层碳量低、有效硬化层过浅、表层内氧化严重以及表层硬度低，从而使齿抽的强度和接触疲劳寿命下降，其次原始组织中枝晶偏析严重和齿轴工作时润滑条件差也是造成齿轴失效的原因之一。
某钢厂的高级粗轧机减速齿轴，使用仅一年，就发生了严重的剥落和断齿。现所分析的齿轴为主动齿轴，重486kg，外形尺寸Φ489/ Φ220×1546mm，模数12。材质J20CrNi2Mo，技术要求为;齿面硬度HRC58～62，有效硬化层深度2.36～3.18mm，齿轴工艺流程:锻造→粗加工→正火→粗铣齿→涂覆渗碳→淬火+回火→精加工。
1 宏观分析
齿轴剥落的宏砚形貌见图1(图1为齿轴的局部形貌浪)。在齿轴未剥落处取样发现宏观裂纹，其裂纹形态见图2。由图2a知，裂纹首先萌生于节圆与齿根之间的过渡层处(距表面约3mm)，并且裂纹由里向外发展，与此同时裂纹沿工作面向齿顶发展，使工作面刹落。由图2b知，齿顶表面往里约1.5mm处也有裂纹产生，产生后先沿齿面发展，而后是呈一定角度向表面扩展。
某钢厂的高级粗轧机减速齿轴，使用仅一年，就发生了严重的剥落和断齿。现所分析的齿轴为主动齿轴，重486kg，外形尺寸Φ489/ Φ220×1546mm，模数12。材质J20CrNi2Mo，技术要求为;齿面硬度HRC58～62，有效硬化层深度2.36～3.18mm，齿轴工艺流程:锻造→粗加工→正火→粗铣齿→涂覆渗碳→淬火+回火→精加工。
1 宏观分析
齿轴剥落的宏砚形貌见图1(图1为齿轴的局部形貌浪)。在齿轴未剥落处取样发现宏观裂纹，其裂纹形态见图2。由图2a知，裂纹首先萌生于节圆与齿根之间的过渡层处(距表面约3mm)，并且裂纹由里向外发展，与此同时裂纹沿工作面向齿顶发展，使工作面刹落。由图2b知，齿顶表面往里约1.5mm处也有裂纹产生，产生后先沿齿面发展，而后是呈一定角度向表面扩展。
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2 微观分析
2.1 夹杂物评定
按照标准 “钢中非金属夹杂物金相评级图片”，齿轴中的失杂物为分散形脆性夹杂，级别1～2。
2.2 金相组织
经金相显微镜观察发现，齿顶表层存在严重的内氧化(又称黑色组织》见图3，其深度为0.35mm，齿的侧面因精加工量较大，已将黑色组织磨去。表层组织为：细小针状回火马氏体+残余奥氏体+极经小的碳化物(见图4)。心部组织为：隐晶马氏体+未溶铁素体，但由于原始组织中枝晶偏析严得(在宏观下明显可见)，使未溶铁素体分布不均匀，按照JB1673-75"汽车渗碳齿轮金相检验”，未溶铁素体级别7-8，超标。
2.1 夹杂物评定
按照标准 “钢中非金属夹杂物金相评级图片”，齿轴中的失杂物为分散形脆性夹杂，级别1～2。
2.2 金相组织
经金相显微镜观察发现，齿顶表层存在严重的内氧化(又称黑色组织》见图3，其深度为0.35mm，齿的侧面因精加工量较大，已将黑色组织磨去。表层组织为：细小针状回火马氏体+残余奥氏体+极经小的碳化物(见图4)。心部组织为：隐晶马氏体+未溶铁素体，但由于原始组织中枝晶偏析严得(在宏观下明显可见)，使未溶铁素体分布不均匀，按照JB1673-75"汽车渗碳齿轮金相检验”，未溶铁素体级别7-8，超标。
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3 硬度测定
齿表面HRC53、55、56，低于技术要求。齿心部HRC30、29、35，低于Z佳范围35-40。
4 有效硬化层深度测定
从节圆向心部测得显微硬度见图5，可知。渗碳总深度达4.3mm，但有效硬化层(HV0.1550以上)深度仅有1.70mm，低于技术要求，而且表面硬度低头较大较深。硬度峰值处的碳化物分布均匀细小，见图6。碳化物尺寸0.4mm。越远离峰值处，碳化物越少。过渡区较陡，强度较低。
齿表面HRC53、55、56，低于技术要求。齿心部HRC30、29、35，低于Z佳范围35-40。
4 有效硬化层深度测定
从节圆向心部测得显微硬度见图5，可知。渗碳总深度达4.3mm，但有效硬化层(HV0.1550以上)深度仅有1.70mm，低于技术要求，而且表面硬度低头较大较深。硬度峰值处的碳化物分布均匀细小，见图6。碳化物尺寸0.4mm。越远离峰值处，碳化物越少。过渡区较陡，强度较低。
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5 讨论与结论
由以上检验结果可知，该齿轴渗层碳含量低，致使表面硬度不够和有效硬化层过浅。渗层中碳含量低的原因是采用涂覆渗碳法，因涂膏的厚度有限，提供的碳势不够，在930℃的高温下，时间稍长。巳渗进去的碳向齿的边缘和心部扩散，导致了图5中的硬度分布。这种硬度分布使应力分布不对称，造成外拉应力；加之过渡区较陡、强度低，因而在过渡区首先产生裂纹，并在拉应力作用下向外发展，形成图2a的裂纹形貌，使硬化层剥落，又因组织中的枝晶偏析导致心部存在大量铁素体，使得心部硬度与强度下降。加之齿轴工作环境中稀油站清洁度不够，含有较多泥砂，油路不杨，油温偏高，轧制温度低，加大了传动齿轴的负荷，这些因素加速了裂纹扩展，使剥落的齿抽迅速发晨为断齿。严重的内氧化使疲劳强度下降，同时会促进诱发接触疲劳裂纹早期萌生与扩展，从而加剧接触疲劳的发生与发展。
可见齿轴失效的主要原因是涂覆渗碳法用于深层渗碳时，因徐覆的厚度有限，所提供的碳势不够，导致渗层中碳含量低，表面硬度低和有效硬化层过浅。同时产生严重的内氧化，这些均使齿轴的强度不足，在较高应力载荷作用下，接触疲劳寿命将显著下降。又因枝晶偏析不但心部强度不足，而且影响渗碳质量，也会使表面硬度下降，加之润滑介质等外界因素不良，加速了齿轴的失效过程，从而使齿轴过早地失效。
由以上检验结果可知，该齿轴渗层碳含量低，致使表面硬度不够和有效硬化层过浅。渗层中碳含量低的原因是采用涂覆渗碳法，因涂膏的厚度有限，提供的碳势不够，在930℃的高温下，时间稍长。巳渗进去的碳向齿的边缘和心部扩散，导致了图5中的硬度分布。这种硬度分布使应力分布不对称，造成外拉应力；加之过渡区较陡、强度低，因而在过渡区首先产生裂纹，并在拉应力作用下向外发展，形成图2a的裂纹形貌，使硬化层剥落，又因组织中的枝晶偏析导致心部存在大量铁素体，使得心部硬度与强度下降。加之齿轴工作环境中稀油站清洁度不够，含有较多泥砂，油路不杨，油温偏高，轧制温度低，加大了传动齿轴的负荷，这些因素加速了裂纹扩展，使剥落的齿抽迅速发晨为断齿。严重的内氧化使疲劳强度下降，同时会促进诱发接触疲劳裂纹早期萌生与扩展，从而加剧接触疲劳的发生与发展。
可见齿轴失效的主要原因是涂覆渗碳法用于深层渗碳时，因徐覆的厚度有限，所提供的碳势不够，导致渗层中碳含量低，表面硬度低和有效硬化层过浅。同时产生严重的内氧化，这些均使齿轴的强度不足，在较高应力载荷作用下，接触疲劳寿命将显著下降。又因枝晶偏析不但心部强度不足，而且影响渗碳质量，也会使表面硬度下降，加之润滑介质等外界因素不良，加速了齿轴的失效过程，从而使齿轴过早地失效。
