内齿圈毛坯开裂分析

GXF360 2017-12-24

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■孙炳超，袁菲

摘要：对开裂的内齿圈毛坯进行了金相检验和分析。金相观察表明：在主裂纹内有氧化物存在，在主裂纹旁边的次生裂纹内也有氧化物存在，而且次生裂纹与主裂纹并不贯通（相连），根据次生裂纹内的氧化物推断：主裂纹和次生裂纹内的氧化物是锻造时形成，并被压入了金属基体内，热处理淬火时，零件受到的拉应力过大导致开裂。

关键词：开裂；金相；氧化物

某公司生产的内齿圈是减速机上的重要零件，采用42CrMo材质制造。在我公司调质处理结束后交客户进行下道工序加工时发现开裂，该炉共生产40件，其中开裂2件。虽然只是毛坯，但重达8kg/件，损失还是很大的，作业人员担心由个人来赔偿而产生恐惧心理；客户也要求我们查找原因并提出改进措施。因此，找到开裂原因，对于厘清热处理—非热处理的责任，消除作业人员的恐惧心理有重要意义。

1. 概况

发生开裂的零件，其外形轮廓尺寸为：φ250mm× φ190mm×50mm，热处理技术要求为：调质处理，硬度255～286HBW。发生裂纹的零件如图1所示。裂纹的走向如图2所示。观察图2和实物发现：上端面有3条裂纹，外圆上有3条裂纹，共6条裂纹首尾相连，形成了一个完整的以工件轴心为圆心的裂纹圆（粗略），而且上端面裂纹与外圆上的裂纹间隔分布。零件使用的热处理工艺如图3所示。经图3所示工艺处理后，开裂零件的最终硬度为281～286HBW，符合要求，但偏上限。A处裂纹深度达18mm。B处裂纹深度达17mm，宽度达0.2mm。内齿圈的工艺路线为：下料→锻造（镦粗→冲孔→扩孔）→粗加工→调质→精加工→热处理→磨齿。

2. 分析

（1）工艺分析内齿圈的淬火温度为850℃，符合文献[1]、[2]推荐的淬火温度，无可厚非。对于厚度为30mm的工件来说，120min的保温时间还是可以的。42CrMo钢的wC约为0.42%，工艺中碳势设置为CP0.50%，略有渗碳（增碳）的嫌疑，从理论上说，设置成CP0.42%最好。两者相差太小，也几乎不能渗碳，更不会脱碳，因此碳势的设置也没问题。由于使用的是KR228快速淬火油，H=100，又是高速搅拌，应该说冷却效果可以，但一般认为在80℃以下，油温随温度的升高，冷却效果是增大的[3]。主要原因是：随着温度的提高，油的黏度降低了，流动性增加了。因此，如果把油温设置成70℃会更好。从工件的最终硬度上（281～286HBW）看，回火温度提高到630℃或640℃更好，150min的回火时间也是足够的。

综上所述，零件热处理工艺虽有不足，但都微不足道，不会造成零件开裂。

（2）金相分析沿图1中A、B处切割，切割面垂直裂纹走向，试样厚度约10mm，其中A处裂纹发生在尖角（台阶）处；B处裂纹在上端面而且是整个闭合裂纹的最宽处。A处的裂纹可能存在应力集中；而B处裂纹则可能受到的拉应力最大。A处裂纹的金相组织如图4所示。B处裂纹的金相组织如图5、图6所示。

从图4可看出：在主裂纹旁边有很多孔洞，有的孔洞内存在灰色氧化物，有的孔洞没有；且有氧化物的那个孔洞周围没有明显的脱碳层，与主裂纹也未贯通，这说明：裂纹在锻造时已经形成，氧化物是在锻造时被压入基体内的，压入后由于反复锻造导致在压入处裂纹又闭合了，氧化物附近的基体接触不到空气，没有形成脱碳层。实测了氧化物的长度50~60μm。而图5、图6均显示在裂纹内有氧化物，而且在裂纹两侧有轻微的白色脱碳层，这说明：裂纹高温时在空气中的裸露时间较长，不但形成了氧化物而且形成了轻微的脱碳。

图1 内齿圈宏观裂纹

图2 裂纹走向

图3 内齿圈的热处理工艺

图4 裂纹旁边的孔洞和氧化物

图5 裂纹末端内的氧化物及两侧的脱碳

图6 裂纹中段内的氧化物及两侧的脱碳

图7 夹持试样

通过图4~图6的照片，基本可以认定：裂纹是在锻造时形成的。但是，再次观察图3，发现内齿圈的回火温度为620℃，在这样高的温度下回火，如没有氮气保护也会产生氧化，调查了作业人员，据作业人员反映，当时回火时，确实没有通氮气。这样，如果在淬火时形成裂纹，回火时裂纹内形成氧化物或者裂纹两侧形成脱碳层，也是符合常理的，那样根据图5、图6来认定裂纹是锻造形成的就完全错误，因此，有必要对回火过程中产生的氧化和脱碳（如果有）进行验证。

（3）回火造成的氧化、脱碳验证使用金相试样切割剩下的部分作为验证用试样，确保了试样的材质与本文所述材质相同，大小为29mm×21mm×10mm，放在回火炉中回火，回火工艺与图3相同。回火前将试样两端面在砂纸上充分磨平，露出钢的本色为止，这样能够保证如果有氧化皮肯定是回火形成的。回火结束后，将试样沿宽度方向的中间切割，将两块试样背靠背且中间放一铜片并夹紧，做成夹持试样，如图7所示。这样能够确保试样表面的氧化皮在制样过程中不会脱落，从而观察到真实的表面氧化、脱碳情况。试样经回火后表面氧化状况如图8、图9所示。图8的放大倍数较低，能够看出铜片两侧均有薄薄的一层氧化皮，但是没有脱碳层。图9是铜片一侧的高倍放大图，从图9可看出，试样表面的氧化皮均匀一致，厚约12μm。也能够清晰地看出：试样表面只有氧化皮而没有脱碳层。因此图5、图6中的脱碳层肯定不是回火造成的。

（4）综合分析内齿圈在热处理时，使用的设备为可控气氛渗碳炉，型号为SHQB15，该设备滴注甲醇作为载气，通入丙烷作为富化气。甲醇在高温下裂解为CO和H2，靠CO和H2的保护，工件是不会形成氧化和脱碳的，图9照片表明：在620℃回火，不进行保护的情况下只会形成氧化不会形成脱碳。因此，图5、图6照片中的氧化物和脱碳层必是锻造中形成的，前已述及，该齿圈经过镦粗→冲孔→扩孔三个环节，至于是哪一个环节形成，不得而知。但是根据该裂纹首尾相连的特点，笔者认为：缺陷发生在冲孔环节。冲孔时，将氧化物压入基体内，而且分布较均匀，扩孔时氧化物被辗长，仍然分布在圆环上，形成了以工件轴心为圆心的同心圆（粗略），作为锻造缺陷被保留在工件中，为后续的热处理种下了祸根。