泰興減速機(jī)專業(yè)生成廠家泰強(qiáng)減速機(jī)2020年9月17日訊  18CrNiMo7-6鋼齒輪軸在機(jī)加工結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)齒輪軸開裂。利用化學(xué)成分分析、掃描電鏡觀察、能譜分析等方法，對(duì)開裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：齒輪軸原材料在冶煉過程中，保護(hù)渣混入鋼水中；材料中脆性夾雜物破壞了材料的連續(xù)性，形成缺口和應(yīng)力集中，在殘余應(yīng)力的作用下，齒輪軸發(fā)生延遲開裂。

關(guān)鍵詞：18CrNiMo7-6；齒輪軸；殘余應(yīng)力;開裂

18CrNiMo7-6屬于低碳低合金滲碳鋼，主要應(yīng)用于制造高速、重載火車的電力機(jī)車、動(dòng)力車的齒輪、齒輪軸、輪轂及左右連軸器等零部件[1]。在生產(chǎn)與使用過程中齒輪軸容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，雷旻[2]研究了 18CrNiMo7-6 齒輪軸裂紋源萌生于高速軸鍵槽的受力處，該處表面硬度沒有達(dá)到設(shè)備制造方提供圖紙要求，屈服強(qiáng)度低，無有效的表面強(qiáng)化硬化層是導(dǎo)致齒輪軸疲勞開裂的原因。吳佳俊[3]研究了齒輪軸裂紋位于軸部，是由于原材料中存在氧化鋁類夾渣，在殘余應(yīng)力作用下引起的裂紋。本文從宏觀形貌、成分、性能等方面進(jìn)行研究分析，并根據(jù)分析總結(jié)，提出解決方案。

本文研究對(duì)象齒輪軸最大直徑為?200mm,軸與齒部采用滲碳處理。齒輪軸工序?yàn)椋弘姞t冶煉→LF→VD→圓坯連鑄→鍛造→退火→探傷→滾齒→滲碳、淬火→噴丸→精車→磨外圓、研磨中心孔→銑鍵槽→精磨→磨齒→磁粉探傷。齒輪軸在加工完放置過程中齒輪與鍵槽處發(fā)生開裂。為確定齒輪軸開裂原因，進(jìn)行一系列檢驗(yàn)與分析，避免類似事件再次發(fā)生。

1  檢測(cè)分析

1.1 宏觀分析

齒輪軸斷裂部位宏觀照片與斷口宏觀照片如圖1所示。裂紋從鍵槽一側(cè)根部開裂，如圖1（a）所示。圖 1（b）為斷口宏觀形貌，斷面上存在明顯的放射狀條紋，由鍵槽根部向外擴(kuò)展，向齒頂部位延伸并發(fā)生斷裂，放射狀條紋的收斂區(qū)域應(yīng)為裂紋源區(qū)。

圖1  齒輪軸開裂照片

1.2 成分檢驗(yàn)

按 GB/T4336 檢測(cè)方法，采用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表 1，可知齒輪軸斷 裂處化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)成分。

表1   化學(xué)成分（wt，%）

1.3 掃描電鏡觀察

將斷口在掃描電鏡下觀察，如圖 2 所示，可見裂紋源處為沿晶裂紋，呈冰糖狀沿晶斷口，局部存在二次裂紋。同時(shí)經(jīng)能譜儀分析，如圖3所示，斷口處存在 O、Si、Ca、Al 元素，存在氧化鋁、氧化鈣，氧化硅類物質(zhì)，表明斷口處含有脆性夾雜物。

圖2  齒輪軸斷口的掃描電鏡形貌

圖3  能譜分析圖

1.4 金相分析

將齒輪軸斷裂處切取橫向試樣，拋磨后對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相組織為回火馬氏體，如圖4所示，組織正常，未發(fā)現(xiàn)脫碳、增碳等異常現(xiàn)象，可判斷裂紋發(fā)生在滲碳淬火之后，同時(shí)排除材料過燒。

 圖4  顯微組織形貌

2  分析與討論

通過以上理化檢驗(yàn)分析，齒輪軸的化學(xué)成分符合技術(shù)條件要求。斷口處的組織為回火馬氏體，組織正常，未發(fā)現(xiàn)脫碳、增碳等異常現(xiàn)象。從斷口的宏觀形貌可以看出斷面上存在明顯的放射狀條紋，由鍵槽根部向齒頂部位延伸并發(fā)生斷裂，放射狀條紋的收斂區(qū)域應(yīng)為裂紋源區(qū)。將裂紋源處在掃描電鏡下觀察，裂紋源為沿晶斷裂，局部呈冰糖狀斷口形貌，經(jīng)能譜分析，此處存在氧化鋁、氧化鈣，氧化硅物類質(zhì)，應(yīng)是冶煉過程中保護(hù)渣卷入鋼水中。再結(jié)合該零件的加工制造工序分析，判斷該齒輪軸是在淬火、回火后開裂。在淬火、低溫回火后，齒輪軸存在較大的殘余應(yīng)力，尤其是在構(gòu)件截面突變處的局部區(qū)域內(nèi)，鍵槽根部存在很大的殘余應(yīng)力，而脆性夾雜物的存在破壞了材料的連續(xù)性，殘余應(yīng)力在脆性夾雜物周圍的不連續(xù)區(qū)集中釋放，進(jìn)而造成齒輪軸發(fā)生延時(shí)開裂。

3   結(jié)論及建議

1）該齒輪軸由于脆性夾雜物破壞了材料的連續(xù)性，在較大的殘余應(yīng)力下發(fā)生的延時(shí)開裂。

2）冶煉過程需嚴(yán)格把控，避免保護(hù)渣等外來夾雜物進(jìn)入鋼水中。

作者

建龍北滿特殊鋼有限責(zé)任公司技術(shù)中心

張澤春 賈俊林 趙艷榮

參考文獻(xiàn)

[1] 莫光有.18CrNiMo7-6鋼電渣重熔工藝研究

[2] 雷旻,梁益龍,萬明攀,楊偉,田琴,凌敏.減速機(jī)高速齒輪軸斷裂失效分析

[3] 吳佳峻.18CrNiMo7-6鋼齒輪軸開裂失效分析