滲碳齒輪在磨削過程中發(fā)生開裂。通過宏觀形貌分析、金相顯微組織分析、硬度測試及掃描電鏡微觀形貌分析等方法，對滲碳后磨削過程中開裂的齒輪進(jìn)行失效分析。

      結(jié)果表明，齒輪組織中的碳化物沿晶界分布是齒輪發(fā)生開裂的主要原因。

      齒輪是能互相嚙合的有齒的機(jī)械零件。19世紀(jì)以來，展成切齒法原理出現(xiàn)，使齒輪的應(yīng)用越來越廣泛。

      隨著應(yīng)用的深入，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。齒輪常見的失效形式主要有：輪齒折斷、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕和齒面膠合。

      某公司生產(chǎn)的滲碳齒輪在磨削過程中2/3的齒面出現(xiàn)了明顯裂紋，且所有的裂紋都在同一側(cè)的齒面上，可以初步判斷這些裂紋為同種原因產(chǎn)生的。

      齒輪原材料為17Cr2Ni2Mo鋼，采用滲碳+二次淬火+低溫回火工藝加工而成，本文分析裂紋產(chǎn)生的原因。


      從發(fā)生齒面開裂的齒輪切割取樣，宏觀觀察分析裂紋表面，采用直讀光譜分析齒輪的化學(xué)成分;采用金相顯微觀察分析齒輪的微觀組織;采用SEM掃描電鏡研究齒輪裂紋面的微觀形貌。


      宏觀形貌分析：對開裂齒輪切割取樣，一個帶裂紋的齒宏觀照片見圖1。由圖可看出，齒輪齒面上有裂紋，裂紋為間斷裂紋。


      化學(xué)成分分析：齒輪的化學(xué)成分直讀光譜分析結(jié)果見表1。由表可看出，試樣化學(xué)成分符合GB/T 17107-1997《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號和力學(xué)性能》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的17Cr2Ni2Mo鋼材化學(xué)成分要求。


      金相顯微組織分析：齒輪裂紋金相組織照片見圖2。從圖2可以看出，在深度方向上裂紋有兩條，均為沿晶裂紋，在裂紋附近表面有非馬氏體區(qū)，非馬氏體區(qū)域下部碳化物呈沿晶分布。


      齒輪開裂面的金相顯微組織照片見圖3。圖3(a)為500倍輕腐蝕金相顯微組織照片;圖3(b)為1000倍深腐蝕金相顯微組織照片。

      從圖3(a)中可以看出，裂紋面未發(fā)現(xiàn)明顯的屈氏體組織;從圖3(b)中可以看出，可觀察到隱針馬氏體+碳化物組織，但 碳化物明顯地沿晶界分布。


      未開裂面的金相顯微組織照片見圖4。圖4(a)為500倍輕度腐蝕金相顯微組織照片;圖4(b)為1000倍深度腐蝕金相顯微組織照片。

      從圖4(a)中可看出，非裂紋面同樣未發(fā)現(xiàn)屈氏體組織;從圖4(b)中可看出，未開裂面的金相組織和開裂面的類似，也為隱針馬氏體+碳化物組織，不同的是碳化物呈鏈狀，未形成網(wǎng)狀。


      硬度測試：對裂紋面和非裂紋面的表面滲碳層進(jìn)行深度-硬度測試和對比，結(jié)果見表2，滲碳層深度測試見圖5。

      從表2中可以看出，齒輪帶裂紋側(cè)層深3.14mm，無裂紋側(cè)層深2.95mm。兩側(cè)層深相差0.19mm的原因可能為熱處理變形，導(dǎo)致兩側(cè)磨削量不同。



      斷口分析：試樣斷口SEM微觀形貌照片見圖6。可以看出，腐蝕產(chǎn)物蓋滿斷口表面，但局部可見沿晶斷裂的特征，由此確定裂紋形成于回火后。



      從裂紋面金相顯微組織分析結(jié)果可知，齒輪開裂面金相顯微組織中碳化物呈沿晶分布的特征，且開裂面的碳化物沿晶分布特征比未開裂面嚴(yán)重，說明齒輪滲碳層碳化物的沿晶分布是促進(jìn)裂紋形成與擴(kuò)展的主要原因。

      滲碳過程中出現(xiàn)沿晶分布碳化物的原因主要是滲碳過程中碳勢過高。如果網(wǎng)狀碳化物較嚴(yán)重，那么，在淬火加熱時不能完全溶解，網(wǎng)狀碳化物層厚度過大，會使零件表面變脆。


      (1)齒輪化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的17Cr2Ni2Mo鋼材要求。

      (2)齒輪的表面滲碳層碳化物沿晶分布，沿晶界分布的碳化物導(dǎo)致齒輪表面變脆，是導(dǎo)致齒輪裂紋形成的主要原因。

      參考文獻(xiàn)：略

      作者簡介:王素粉(1981- ),女,河南周口人,副教授,碩士,研究方向:機(jī) 械制造及其自動化、CAD/CAE/CAM。