太阳轮齿面裂纹成因分析-170101
本帖最后由 go-get-it 于 2017-4-20 13:36 编辑原创 2017-01-01 赵学谦 热处理生态圈http://mp.weixin.qq.com/s/d5CiNfzYcNxgEqsjqCqXjw某公司生产的材质为20CrNi2MoA的太阳轮，在最后一道磨齿工序后发现数个齿面上存在裂纹，委托我中心进行原因分析。该齿轮的生产流程：下料→毛坯→锻造→开齿→渗碳→淬火+回火→喷丸→磨齿。
1.理化检验（1）宏观分析出现裂纹的太阳轮见图1，裂纹出现在左侧的大轮轮齿上，裂纹的形貌见图2，从图中可以看出，主裂纹位于齿根处，平行于磨削的方向，其中有多条裂纹在与主裂纹垂直，形成倒“T”字裂纹形貌。
（2）磁弹仪检测对太阳轮上存在裂纹的轮齿利用磁探仪进行检测，检测结果见图3。因检测探头为手持移动，为提高检测的准确性进行了多次检测。
从检测检结果可以看出，三条曲线的走向基本一致，出现的锯齿形波动为齿面存在裂纹的缘故。三次检测的MP值最高都在470左右，平均值在270左右。通过以往大量的试验数据积累分析，认为该种材质齿面发生烧伤的临界MP值为50，从检测结果可知，该齿面的MP值已远远大于该临界值，初步认为该齿面发生了严重的回火烧伤。
（3）化学成分分析在轮齿试样的中心部分取样进行化学成分分析，分析结果及20CrNi2MoA钢的标准成分见表1。表1轮齿化学成分（质量分数）（%）
元素CMnSiS≤P≤CrNiMo
实测值0.200.490.260.00140.00730.541.740.23
规范值0.17～0.230.40～0.700.17~0.370.0300.0300.40～0.651.6～2.00.15～0.30
从表1可以看出，该齿轮的化学成分满足20CrNi2MoA钢标准要求，该齿轮材料化学成分合格。
（4）金相分析首先，非金属夹杂物检测。在图2红色方框处取金相试样，经磨制、抛光后观察，依照《GB/T10561-2005》A法对试样进行非金属夹杂物评级，结果见表2，夹杂物级别满足标准要求。表2非金属夹杂物评级结果
夹杂物类别ABCDDs
评级结果/级0.50.50.50.50.5
其次，组织分析。试样抛光后，在显微镜下观察，裂纹开口端粗大，尾部尖细，属于应力型裂纹。裂纹源位于齿表面，沿次表面向齿根处扩展，裂纹最深处约1.0mm，如图4所示。
将试样经4%硝酸酒精溶腐蚀后，在齿的两边节圆下方都出现呈弧形的黑色区域，说明齿轮两侧均发生了烧伤，只有一侧发生了开裂，并且有黑色区域即回火区被裂纹围绕，说明裂纹的产生与此区域的组织发生转变存在一定的关联，如图5所示。在显微镜下观察，裂纹两侧无氧化脱碳现象，裂纹附近组织为回火托氏体；渗层组织为针状马氏体+颗粒状碳化物+残留奥氏体，按照技术要求的标准《JB/T6141.3-1992重载齿轮金相检验》对马氏体进行评级，针状马氏体：5级，满足标准的要求；未发现网状碳化物等异常组织；齿轮心部组织为贝氏体和针状铁素体；见图6~图8所示。
（5）显微硬度检测在齿轮试样的正常区和烧伤区分别进行有效硬化层检测，测试结果见图9。从图9中可以得出，该齿轮的有效硬化层深为2.5mm，满足技术要求（1.6~2.5mm）；与正常区相比，烧伤区表面硬度偏低，从表层到心部硬度的分布为先升高再降低，该分布形态主要是因为表面发生了高温回火导致表面硬度下降；该检测结果也再次证实齿轮表面发生了回火烧伤。
（6）残余应力检测采用Xstress3000X射线应力分析仪对齿轮表面烧伤区域进行残余应力检测，通过电解抛光的方式进行剥层，从而得出磨削烧伤后齿轮近表层残余应力的分布情况（备注：“+”表示拉应力；“-”表示压应力）见图10。从图中可以看出烧伤齿轮的近表面分布的均为拉应力，且在距齿表面100μm处出现最大值，然后随着深度的增加应力逐渐下降。资料显示，钢件渗碳后，表面与心部因含碳量的差别导致的比容变化和马氏体转变点温度的差别等原因，会造成钢件表面分布一定深度的压应力，以提高其疲劳强度。正常情况下，该渗层深度的渗碳齿轮齿表面的应力水平一般在-500MPa左右，但该齿轮的检测结果表明，由于齿面发生了回火烧伤，使齿面近表层的原有的应力状态发生了不利的转变，呈现出拉应力状态。
3.结论齿轮的裂纹是磨削工艺不当造成的磨削裂纹。齿轮在磨削过程中，发生了严重的回火烧伤，造成烧伤区域及边缘区域产生拉应力，再加之磨削力的作用影响下产生磨削裂纹。
4.建议（1）改进对中性，避免第一次磨削量过大造成烧伤，保证机床测量的磨削余量准确，并给出一定的安全余量。（2）优化磨削参数，增加砂轮的转速和减小进刀量能大大地降低磨削烧伤的风险。（3）选择合适的砂轮和修正参数，并及时修正砂轮。（4）严格执行热处理工艺，采用多次低温回火或冷处理能有效降低磨削裂纹的发生率。
文/赵学谦、刘铁山、李亚松、王博、宋亚虎、史向阳，中信重工机械股份有限公司计量检测中心
案例是“热处理生态圈”里面的，属于期刊金属加工（原机械工人）下面的，里面基本每周都发布一个原创案例，我也是无意中关注的，好东西得拿出来分享
不错，人家的经验，许多要学习，哪怕自己玩过，也该看看人家怎么玩，这些都是经验与教训， 挺不错的！上期的我也看了。磨削热高温回火+热应力将原先的压应力变成了拉应力，很好的解释
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