齿轮轴齿根部裂纹产生原因分析

2012-12-03王洪如

重型机械 2012年6期

王洪如

(江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京 210007)

0 前言

某减速机制造企业生产的大型减速机的齿轮轴，图纸上标明该齿轮轴锻坯的材料牌号为42CrMo，在齿根部发现有裂纹产生造成齿轮轴失效。该齿轮轴根部裂纹被怀疑是锻坯质量所致，江苏省产品质量监督检验研究院对该齿轮轴裂纹进行检验，并分析了裂纹的产生原因是热处理引起的。

1 理化检验

1.1 宏观分析

齿轮轴外观如图1所示。在齿轮轴的齿根部观察到有裂纹存在，裂纹大多在同一侧齿根部，呈断续状分布，裂纹开口较小，长约200～300 mm，如图2所示。从齿根部的横截面观察，可以看到裂纹的最深处约15 mm，如图3所示。在齿轮轴的啮合面未发现有明显碾压痕迹，也未发现该齿轮轴存在过载运行的宏观特征。

图1 齿轮轴外观Fig.1 Picture of gear shaft

图2 齿根部裂纹外观Fig.2 Appearance of tooth root

拨开裂纹，观察断口可知，靠近齿根表面附近的断口区域较为平坦细腻，其余区域断口较粗糙。同时可见裂纹扩展条纹，从扩展条纹的方向可以判断，裂纹是由齿根部的表面开始，向内部扩展。断口色泽灰暗，有轻度氧化，无明显的塑性变形特征。

图3 齿根部裂纹横截面外观Fig.3 Cross-section appearance of crack at tooth root

1.2 化学成分分析

对齿轮轴的化学成分进行分析，得到的结果如表1所示。由测试结果可知，该齿轮轴的化学成分符合JB/T6396－2006《大型合金结构钢锻件技术条件》标准中42CrMo钢的技术要求。

表1 齿轮轴锻坯化学成分Tab.1 Chemical compositions of forging stock for gear shaft

1.3 显微组织分析

齿轮轴的显微组织照片如图4所示，该齿轮轴已经过表面硬化处理，其齿根部表面有一硬化层，表层组织为马氏体 (图4a)，次表层组织为铁素体+马氏体+珠光体 (图4b)，部分区域有魏氏组织特征，而齿轮轴的心部组织为铁素体+珠光体 (图4c)。

图4 齿轮轴的显微组织Fig.4 Microstructure of gear shaft

裂纹起始于齿根部R角处，裂纹呈断续状向内发展，如图5a所示。从图5b中可以看到裂纹在表层和次表层组织的交界处有明显的错位特征。裂纹两侧的组织与裂纹附近区域无明显区别，都存在魏氏组织的特征，且未发现氧化脱碳现象，如图5c和图5d所示。

1.4 扫描电镜显微分析

图6a为裂纹起始区域的扫面电镜形貌照片，可以看到明显的沿晶断裂特征［1］。裂纹扩展区断口的微观特征则主要为河流状花样，表现为解理断裂为主［1］，如图6b所示。局部区域有少量的韧窝花样和极少量的准解理花样，同时局部可见有二次裂纹，如图6c所示。

图5 裂纹处显微组织Fig.5 Microstructure at crack

1.5 力学性能分析

图6 裂纹的扫描电镜显微分析Fig.6 Analysis of cracks by means of scanning electron microscope

齿轮轴的拉伸、冲击以及硬度测试结果如表2所示。由测试结果可知，该齿轮轴基体的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均符合42CrMo钢调质状态的技术要求。由硬度测试结果可知，该齿轮的表层硬度值符合图纸要求的表面淬火的硬度值，同时其心部基体硬度值也符合图纸中调质状态的技术要求。

表2 力学性能测试结果Tab.2 results of mechanics performance testing

2 综合分析

分析可以看出，齿轮轴的化学成分符合42CrMo钢的技术要求。该齿轮轴的强度和塑性性能指标也均符合42CrMo钢调质处理后的技术要求。表层和心部基体的硬度值也符合图纸中的技术要求。

从宏观分析可知，齿轮轴的齿部未发现过载运行的特征，裂纹均位于齿根部R角处，裂纹开口较小，且呈断续状分布。从其断口上裂纹扩展条纹的方向可以判断裂纹起始于齿根部的表面，且断口无明显塑性变形特征。而由金相分析可知，裂纹也是起始于齿根部的R角处，呈断续状由外向内发展，裂纹两侧边缘无氧化脱碳现象，排除了锻造裂纹的可能性［2］。同时，裂纹在表层和次表层组织交界处有明显的错位特征，表明了有过大的组织应力的存在。此外，在齿轮轴的次表层区域的组织中有部分魏氏组织特征，而心部组织中无魏氏组织存在，魏氏组织的出现表明该齿轮轴存在热处理工艺不当。

由扫描电镜显微分析可知，裂纹起始区的微观形貌主要表现为沿晶断裂特征，而裂纹扩展区的形貌则以解理断裂为主，局部有二次裂纹、少量韧窝和准解理花样，排除了应力腐蚀、腐蚀疲劳以及疲劳断裂的可能性。