锻造齿轮轴断裂的失效分析

GXF360 2017-12-24

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■朱杰

摘要：通过对锻造齿轮轴失效分析，找出产品中的缺陷，为以后生产质量控制，提高产品质量积累重要的经验，具有重要的生产指导意义。

关键词：锻造齿轮轴；失效分析；质量控制

我公司为客户生产制造的240t起重机减速机，在使用6年后，齿轮齿部及轴的变截面轴径台阶处发生断裂，齿轮材料为42CrMo，热处理方式为调质处理（淬火+回火），主要生产工序：锻造毛坯→粗车→粗开齿→调质热处理→精车→滚齿等。为评定生产责任及提高产品过程质量监督，特对该齿轮轴进行了失效分析，确定开裂性质及产生原因。

1. 失效分析

（1）宏观分析由齿轮轴断裂位于齿部及轴径的变截面台阶处，断面呈锥形，深入齿端内部，轮齿部位也有大块开裂。断口分析表明：断裂起源于工件内部，属由内而外脆性断裂，如图1所示。

（2）化学成分分析材料化学成分检测分析，看到Mo含量为0.14%略小于要求值的0.15%，考虑到一定的偏差范围，也在合格范围之内。结果表明，42CrMo材料成分符合要求，具体数据如表1所示。

（3）低倍试验分析做齿轮径向全截面低倍热酸浸试验，结果如表2所示。

从试面上可见，整个试面除边缘20mm一圈外，有严重的粗大枝晶偏析；从边缘到内部可见大量细针眼状缺陷，应为非金属夹杂物在横向面上的体现；截面上R/2半径范围内有十余条锯齿状连续小裂纹，最长约8mm。试验结果表明，锻件偏析严重，均匀性、纯净性差，内部有多条裂纹，锻件质量不合格，如图2所示。

（4）显微组织分析做齿轮轴轴身从外到内微观试验，结果如表3所示。

可以看到，钢中有大量的粗大未变形硫化物夹杂和聚集分布的氧化物夹杂。结合低倍情况，钢中夹杂物级别虽在合格范围内，但纯净度较差。表面组织正常调质热处理过程正常；但基体组织偏析严重，晶粒度不够均匀。

图1

表1 检测结果（%）

Mn S P Si Cr Mo 0.43 0.58 0.013 0.021 0.30 1.00 0.14 C依据标准：GB/T 20123—2006 、GB/T 20125—2006

表2

项目一般疏松/级中心疏松/级区域偏析/级点状偏析/级缺陷结果1.5 1.5 1.0 1.0有

取低倍试片上小裂纹进行微观裂纹分析，可以看到裂纹曲折、断续，沿晶分布，旁边有少量夹杂相伴，裂纹旁组织无变化，具有白点裂纹微观形貌，如图3所示。

（5）力学性能试验和硬度测试对齿轮轴轮齿近表面显微硬度测试，硬度值（HBW）为：302.73、305.59、303.13，硬度值高于图样中302~341HBW中最低值要求。

做工件力学性能试验，可以看到其中：ReL值为585MPa，小于要求值700MPa；KU值为32J，小于规范中的要求值50J；工件力学性能不符合要求。

2. 分析讨论

齿轮轴材料为42CrMo中碳合金钢，材料成分符合要求。钢中有大量的粗大未变形硫化物夹杂和聚集分布的氧化物夹杂；从边缘到内部可见大量细针眼状缺陷，应为非金属夹杂物在横向面上的体现；结合高低倍观察，可以说明钢中纯净度较差，同时表明锻件变形不足，夹杂物未变形。

齿轮轴低倍截面整个试面除边缘20mm一圈外，有严重的粗大枝晶偏析，对后续热处理效果造成了很大影响，造成了组织的偏析、晶粒的不均匀，降低了材料的力学性能；在低倍试片上从边缘到内部可见大量细针眼状缺陷，应为非金属夹杂物在横向面上的体现，也破坏了基体的连续性和致密性，降低了材料的力学性能。

截面上R/2半径范围内有十余条锯齿状连续小裂纹，从低倍酸浸形貌到宏观断口形态再到微观组织形态，可以确定小裂纹为白点裂纹。白点裂纹产生的原因，通常是钢中氢含量较高和内应力较大共同作用的结果。白点裂纹破坏了钢材内部连续性，含有白点的钢材，其伸长率、断面收缩率和冲击韧度都急剧下降，所以白点属于钢中不允许的缺陷。

齿轮轴断裂源于内部，由于锻件本身存在严重质量问题，锻件致密性差、均匀性差、纯净度差，存在不同方向分布的白点裂纹缺陷，造成锻件性能指标差，内部不连续。在长期的使用过程中，在内部裂纹处产生应力集中，进而扩展，达到材料性能极限后，快速脆裂，导致断裂。

图2

表3

非金属夹杂/级显微组织晶粒度/级A B C D Ds表明2.5S 2.0S 1.0 0.5 2.5索氏体+贝氏体7.0，部分5.0 R/2 2.5S 1.5S 0.5 0.5 2.0贝氏体+铁素体+珠光体6.5，部分5.0心部2.5S 2.0S 1.0 0.5 2.0贝氏体+铁素体+珠光体6.5，部分5.0