深層滲碳重載齒軸失效分析
2009-07-21 葛利玲
（西安理工大學材料科學與工程系）
（西安理工大學材料科學與工程系）
摘 要：某軋鋼機上的齒軸，使用僅一年就產生了嚴重的剝落和斷齒。經分析，齒袖失效的主要原因是滲出碳層碳量低、有效硬化層過淺、表層內氧化嚴重以及表層硬度低，從而使齒抽的強度和接觸疲勞壽命下降，其次原始組織中枝晶偏析嚴重和齒軸工作時潤滑條件差也是造成齒軸失效的原因之一。
某鋼廠的高級粗軋機減速齒軸，使用僅一年，就發生了嚴重的剝落和斷齒。現所分析的齒軸為主動齒軸，重486kg，外形尺寸Φ489/ Φ220×1546mm，模數12。材質J20CrNi2Mo，技術要求為;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現宏觀裂紋，其裂紋形態見圖2。由圖2a知，裂紋首先萌生于節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展，與此同時裂紋沿工作面向齒頂發展，使工作面剎落。由圖2b知，齒頂表面往里約1.5mm處也有裂紋產生，產生后先沿齒面發展，而后是呈一定角度向表面擴展。
某鋼廠的高級粗軋機減速齒軸，使用僅一年，就發生了嚴重的剝落和斷齒。現所分析的齒軸為主動齒軸，重486kg，外形尺寸Φ489/ Φ220×1546mm，模數12。材質J20CrNi2Mo，技術要求為;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現宏觀裂紋，其裂紋形態見圖2。由圖2a知，裂紋首先萌生于節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展，與此同時裂紋沿工作面向齒頂發展，使工作面剎落。由圖2b知，齒頂表面往里約1.5mm處也有裂紋產生，產生后先沿齒面發展，而后是呈一定角度向表面擴展。
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2 微觀分析
2.1 夾雜物評定
按照標準 “鋼中非金屬夾雜物金相評級圖片”，齒軸中的失雜物為分散形脆性夾雜，級別1～2。
2.2 金相組織
經金相顯微鏡觀察發現，齒頂表層存在嚴重的內氧化(又稱黑色組織》見圖3，其深度為0.35mm，齒的側面因精加工量較大，已將黑色組織磨去。表層組織為：細小針狀回火馬氏體+殘余奧氏體+極經小的碳化物(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得(在宏觀下明顯可見)，使未溶鐵素體分布不均勻，按照JB1673-75"汽車滲碳齒輪金相檢驗”，未溶鐵素體級別7-8，超標。
2.1 夾雜物評定
按照標準 “鋼中非金屬夾雜物金相評級圖片”，齒軸中的失雜物為分散形脆性夾雜，級別1～2。
2.2 金相組織
經金相顯微鏡觀察發現，齒頂表層存在嚴重的內氧化(又稱黑色組織》見圖3，其深度為0.35mm，齒的側面因精加工量較大，已將黑色組織磨去。表層組織為：細小針狀回火馬氏體+殘余奧氏體+極經小的碳化物(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得(在宏觀下明顯可見)，使未溶鐵素體分布不均勻，按照JB1673-75"汽車滲碳齒輪金相檢驗”，未溶鐵素體級別7-8，超標。
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3 硬度測定
齒表面HRC53、55、56，低于技術要求。齒心部HRC30、29、35，低于Z佳范圍35-40。
4 有效硬化層深度測定
從節圓向心部測得顯微硬度見圖5，可知。滲碳總深度達4.3mm，但有效硬化層(HV0.1550以上)深度僅有1.70mm，低于技術要求，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小，見圖6。碳化物尺寸0.4mm。越遠離峰值處，碳化物越少。過渡區較陡，強度較低。
齒表面HRC53、55、56，低于技術要求。齒心部HRC30、29、35，低于Z佳范圍35-40。
4 有效硬化層深度測定
從節圓向心部測得顯微硬度見圖5，可知。滲碳總深度達4.3mm，但有效硬化層(HV0.1550以上)深度僅有1.70mm，低于技術要求，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小，見圖6。碳化物尺寸0.4mm。越遠離峰值處，碳化物越少。過渡區較陡，強度較低。
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5 討論與結論
由以上檢驗結果可知，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，提供的碳勢不夠，在930℃的高溫下，時間稍長。巳滲進去的碳向齒的邊緣和心部擴散，導致了圖5中的硬度分布。這種硬度分布使應力分布不對稱，造成外拉應力；加之過渡區較陡、強度低，因而在過渡區首先產生裂紋，并在拉應力作用下向外發展，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致心部存在大量鐵素體，使得心部硬度與強度下降。加之齒軸工作環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，加大了傳動齒軸的負荷，這些因素加速了裂紋擴展，使剝落的齒抽迅速發晨為斷齒。嚴重的內氧化使疲勞強度下降，同時會促進誘發接觸疲勞裂紋早期萌生與擴展，從而加劇接觸疲勞的發生與發展。
可見齒軸失效的主要原因是涂覆滲碳法用于深層滲碳時，因徐覆的厚度有限，所提供的碳勢不夠，導致滲層中碳含量低，表面硬度低和有效硬化層過淺。同時產生嚴重的內氧化，這些均使齒軸的強度不足，在較高應力載荷作用下，接觸疲勞壽命將顯著下降。又因枝晶偏析不但心部強度不足，而且影響滲碳質量，也會使表面硬度下降，加之潤滑介質等外界因素不良，加速了齒軸的失效過程，從而使齒軸過早地失效。
由以上檢驗結果可知，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，提供的碳勢不夠，在930℃的高溫下，時間稍長。巳滲進去的碳向齒的邊緣和心部擴散，導致了圖5中的硬度分布。這種硬度分布使應力分布不對稱，造成外拉應力；加之過渡區較陡、強度低，因而在過渡區首先產生裂紋，并在拉應力作用下向外發展，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致心部存在大量鐵素體，使得心部硬度與強度下降。加之齒軸工作環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，加大了傳動齒軸的負荷，這些因素加速了裂紋擴展，使剝落的齒抽迅速發晨為斷齒。嚴重的內氧化使疲勞強度下降，同時會促進誘發接觸疲勞裂紋早期萌生與擴展，從而加劇接觸疲勞的發生與發展。
可見齒軸失效的主要原因是涂覆滲碳法用于深層滲碳時，因徐覆的厚度有限，所提供的碳勢不夠，導致滲層中碳含量低，表面硬度低和有效硬化層過淺。同時產生嚴重的內氧化，這些均使齒軸的強度不足，在較高應力載荷作用下，接觸疲勞壽命將顯著下降。又因枝晶偏析不但心部強度不足，而且影響滲碳質量，也會使表面硬度下降，加之潤滑介質等外界因素不良，加速了齒軸的失效過程，從而使齒軸過早地失效。