陳凱敏, 樊 洋, 趙 宜, 喬建勇

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 杭州 310053)

某裝載機(jī)用內(nèi)齒圈材料為35CrMo鋼，制造工序為：原材料鋸料→(1 150±30) ℃加熱→鍛造→沖孔→輾環(huán)→正火→粗車→調(diào)質(zhì)(830～860 ℃油淬+600～650 ℃回火)→精車→插齒→氮化。在其成品搬運過程中，內(nèi)齒圈意外跌落并發(fā)生斷裂。為確定該內(nèi)齒圈斷裂的原因，筆者對其進(jìn)行了一系列的理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察及斷口分析

該內(nèi)齒圈及其斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷口從齒根部位沿徑向擴(kuò)展，斷口平整未見明顯起伏，呈一次性斷裂的特征。

圖1 內(nèi)齒圈及其斷口宏觀形貌

在內(nèi)齒圈斷口處取樣，對其進(jìn)行超聲清洗后用S-3400N型掃描電鏡(SEM)觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口中心區(qū)域存在許多細(xì)小孔洞，孔洞表面呈現(xiàn)類似自由結(jié)晶狀形貌，孔洞內(nèi)還存在眾多晶界裂紋，局部可見晶界熔融痕跡。

圖2 內(nèi)齒圈斷口SEM形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂內(nèi)齒圈上取樣，采用CS800型紅外碳硫分析儀和iCAP6300型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：其化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的要求。

表1 斷裂內(nèi)齒圈的化學(xué)成分 %

1.3 低倍檢驗

從斷裂內(nèi)齒圈的不同方位，每間隔120°取徑向截面進(jìn)行低倍檢驗，其低倍組織形貌如圖3所示。由圖3可知：試樣截面中部區(qū)域存在大量的孔洞類缺陷，齒根至心部存在通道，邊緣周圍完好未見異常。將試樣進(jìn)行低倍酸蝕，發(fā)現(xiàn)這些孔洞擴(kuò)大并形成了一個較大的腐蝕坑，這說明內(nèi)齒圈整個環(huán)形區(qū)域截面的心部均存在細(xì)小的孔洞類缺陷。

圖3 內(nèi)齒圈徑向截面低倍形貌

1.4 沖擊試驗

從斷裂內(nèi)齒圈上取樣，采用JBN-300B型沖擊試驗機(jī)對其進(jìn)行沖擊試驗。結(jié)果顯示：斷裂內(nèi)齒圈的沖擊吸收能量分別為6.0，5.0，6.0 J，而內(nèi)齒圈沖擊吸收能量的技術(shù)要求為不小于70 J。由沖擊試驗結(jié)果可知：該內(nèi)齒圈脆性較大，極易在承受沖擊載荷的情況下發(fā)生脆性斷裂。

1.5 金相檢驗

從斷裂內(nèi)齒圈上取徑向截面試樣，采用Observer.Alm型光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣心部存在大量孔洞類缺陷，在孔洞邊緣發(fā)現(xiàn)大量的脈狀氮化物組織；正常區(qū)域的氮化層深度約為0.6 mm，表面為白亮的化合物層，表層為回火索氏體；心部為回火索氏體+少量鐵素體組織，其晶粒度約為7～8級，為內(nèi)齒圈正常的熱處理組織，表明該內(nèi)齒圈熱處理工序正常。

圖4 內(nèi)齒圈徑向截面顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：該裝載機(jī)內(nèi)齒圈的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015的標(biāo)準(zhǔn)要求；齒輪表面氮化組織、心部組織均符合技術(shù)要求，表明其熱處理工序正常。

由斷口形貌分析結(jié)果可知：該內(nèi)齒圈的徑向截面中心區(qū)域存在大量的細(xì)小孔洞類缺陷，孔洞表面呈類似自由結(jié)晶狀形貌，而孔洞內(nèi)存在眾多晶界裂紋，局部可見晶界熔融痕跡，與過燒缺陷[1-3]的特征相符。

由低倍檢驗結(jié)果可知：內(nèi)齒圈不同方位的徑向截面中心區(qū)域均存在大量的細(xì)小孔洞類缺陷，齒根至心部存在通道，邊緣輪廓完好未見明顯缺陷，表明缺陷主要集中于截面心部；此外，內(nèi)齒圈整個環(huán)形區(qū)域的徑向截面心部均存在細(xì)小孔洞類缺陷，邊緣輪廓未見異常，齒坯周圍不存在缺陷，表明該內(nèi)齒圈心部的過燒缺陷與加熱工序無關(guān)。

由金相檢驗結(jié)果可知：在斷裂內(nèi)齒圈徑向截面心部存在大量細(xì)小孔洞類缺陷，而孔洞邊緣發(fā)現(xiàn)有眾多脈狀氮化物組織，呈現(xiàn)河流狀，這表明氮化處理前心部孔洞已與齒輪表面相通，并且心部的孔洞處也因發(fā)生氮化而生成了氮化物。

材料過燒往往產(chǎn)生于加熱、鍛造及輾環(huán)等工序中。加熱工序產(chǎn)生的過燒往往是由表及里，且主要表現(xiàn)為網(wǎng)裂、沿晶氧化等[1-4]。在低倍檢驗中，邊緣輪廓未見異常，整個齒坯周圍不存在缺陷，表明該內(nèi)齒圈心部的過燒缺陷與加熱工序無關(guān)。鍛造過程中產(chǎn)生的過燒特征往往與加熱過程中形成的特征相似，正火與調(diào)質(zhì)工序的加熱溫度均較低，因此鍛造過程中基本不會形成心部過燒，并且內(nèi)齒圈心部的孔洞類缺陷在氮化工序之前就已存在，此外，正常部位的晶粒度和顯微組織也證實了內(nèi)齒圈心部過燒不是在這段時間產(chǎn)生的。基本可以確定內(nèi)齒圈徑向截面心部孔洞缺陷產(chǎn)生于輾環(huán)工序。

金屬因塑性變形引起的鍛造溫度變化(ΔT)的計算公式為[4]

(1)

式中：η為排熱率；K為綜合影響系數(shù)；vε為應(yīng)變速率；m為變形速率影響指數(shù)，與鋼材種類和變形溫度有關(guān)；σ0為基準(zhǔn)流動應(yīng)力；εp為變形體的等效應(yīng)變增量；ρ為變形體的密度；c為變形體的比熱容。

當(dāng)鋼材種類確定后，變形體的密度、變形體的比熱容、排熱率、綜合影響系數(shù)等參數(shù)為定值，影響鍛造溫度變化(ΔT)的因素僅為應(yīng)變速率、變形速率影響指數(shù)、流動應(yīng)力和等效應(yīng)變增量，并與之正相關(guān)。此外，在選定設(shè)備后應(yīng)變速率、變形速率影響指數(shù)、流動應(yīng)力和等效應(yīng)變增量均與變形量和變形速率相關(guān)，因此溫度變化為較大變形量及變形速率下能量轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)。

在對內(nèi)齒圈原材料進(jìn)行輾環(huán)工序時，由于加熱溫度較高，接近固液相轉(zhuǎn)變點，若此時的變形量和變形速率過大，極易使材料的局部溫度升高，當(dāng)局部溫度達(dá)到或超過液相點時，就會發(fā)生“形變過燒”。“形變過燒”往往出現(xiàn)于材料的內(nèi)部，其表現(xiàn)為孔洞類缺陷，且局部具有疏松的特征，此外還會出現(xiàn)晶界熔融的痕跡[5-7]。

內(nèi)齒圈原材料產(chǎn)生的孔洞及疏松類缺陷在形變載荷的作用下會發(fā)展成為細(xì)小裂紋，最終在內(nèi)齒圈周向心部形成環(huán)形的細(xì)小孔洞及裂紋，在隨后的插齒過程中，缺陷“露頭”。當(dāng)對材料進(jìn)行氮化處理時，氮化氣氛沿孔洞及裂紋進(jìn)入心部，導(dǎo)致心部孔洞和裂紋區(qū)域產(chǎn)生脈狀氮化物，極大地增加了內(nèi)齒圈的脆性，最終在跌落時內(nèi)齒圈因受沖擊載荷作用而發(fā)生脆斷。

3 結(jié)論及建議

不當(dāng)?shù)妮毉h(huán)工藝導(dǎo)致內(nèi)齒圈產(chǎn)生形變過燒，進(jìn)而在內(nèi)齒圈心部產(chǎn)生了大量細(xì)小的孔洞及裂紋缺陷，機(jī)加工使心部缺陷“露頭”，并在隨后的氮化處理中生成了大量的脈狀組織，進(jìn)一步增加了材料的脆性，降低了內(nèi)齒圈的抗沖擊性，使其在跌落時稍受沖擊，載荷便會發(fā)生脆斷。

建議加強(qiáng)對鍛料加熱溫度的控制，并對輾環(huán)工藝進(jìn)行優(yōu)化。