452型输入四档齿圈裂纹失效分析

摘 要：通过化学成分、宏观形貌、金相组织检验和显微硬度测试等，对452型输入四档齿圈裂纹原因进行分析。结果表明该齿圈存在机加工划痕，热处理后产生淬火裂纹是导致该齿圈发生裂纹的原因，并给出了必要的预防建议。

关键词：16MnCrS5；齿圈；裂纹；失效分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.050

1 前言

某汽车变速箱输入轴四档齿轮使用的材质是16MnCrS5， 16MnCrS5是从德国引进的钢种，相当于我国16CrMnH钢（参照GB/T 5216-2004保证淬透性结构钢标准）， 16MnCrS5齿轮钢经渗碳淬火后使用，主要用于制造齿轮、蜗杆、密封轴套等零部件。技术要求表面硬度58.5-63.3HRC，渗碳层深度0.5-1.0mm，心部硬度30-43HRC；其主要工艺流程是： 下料——锻造——等温正火——精加工——渗碳淬火——磨内孔。热处理工艺：加热至915℃1-2小时，分级油冷至185℃3-4 小时，空冷。磨孔工艺后， 发现有1个齿圈有裂纹， 可见图 1和图2所示。

2 检测内容

试样取自渗碳淬火后开裂的裂纹部位，用金相显微镜分析金相组织，用显微硬度计测试硬度，用金相显微镜评级鉴别夹杂物和金相组织。

2.1 化学分析

根据检测报告，见表1，原材料16MnCrS5中各元素含量符合技术要求。

2.2 宏观形貌分析

按照图2位置线切割取样，对齿圈表面裂纹进行了金相观察，见图3和图4。在100倍视场下，没有观察到该部位的内部裂纹，由此推测该齿圈表面裂纹应为机加工中发生的碰撞痕迹。

2.3 金相分析

在100倍视场下，对齿圈裂纹部位进行了观察，发现其裂纹走向平直，无分叉，断口呈现脆性断裂外貌，裂纹在开裂的末端逐渐变窄呈现尖状收尾。400倍视场下观察，试样渗碳层部位组织均匀，为细针状回火马氏体和少量残余奥氏体，改用800倍视场下观察，细针状回火马氏体和少量残余奥氏体较为清晰，未见明显夹杂物和带状组织，有少量细粒状弥散分布的碳化物。心部组织为板条马氏体，同时有少量铁素体，整体上组织较为均匀，未见明显夹杂物和带状组织。

2.4 硬度分析

实测的表面显微硬度为760-836HV（技术要求：58.5-63.3HRC），心部硬度为488-504HV （技术要求：30-43 HRC），均符合相关要求。根据渗碳层形貌及实测显微维氏硬度看出（截止到心部550HV），渗碳有效硬化层深约 0.6mm（技术要求为 0.5-1.0mm），符合技术要求。

3 失效机理分析

由图5可看出，在齿圈裂纹上和下的最后断裂处外，基本无明显塑性变形，呈脆性断裂特征。在齿圈外缘有一条弧形裂纹，金相观察该裂纹内部及附近的组织，无氧化脱碳现象，有效渗碳层较好，裂纹的方向平直，具备淬火裂纹特征，可以推断该齿圈是在淬火工艺后产生的裂纹，而非锻造氧化皮折叠所致。

在淬火油中冷却时，一般情况下，齿轮部位的冷却速度要比齿圈部位慢，齿圈靠近齿轮的部位冷却速度要慢于靠近端面部位，当冷却速度较大时，最外端面的组织是早于内部位置完成组织转变的。此时，齿圈最外端面产生的拉应力达到最大值，淬火裂纹最容易在最外端面产生。最终，在拉应力的作用下，裂纹扩展到表面，如果工件的外表面存在加工碰撞痕迹，由图3可知，该齿圈表面裂纹应为机加工中发生的碰撞痕迹，这就会诱发或者直接形成可以观察到的裂纹。

齿轮的渗碳层有效层深和渗碳层硬度均符合技术要求，齿轮的表面组织和心部组织均符合标准，该齿圈的裂纹是由于机加工碰撞和淬火裂纹引起的。

4 改进建议

一般来说有锐角、孔洞或断面有急变的零件比较容易淬裂。该齿轮部位和齿圈部位尺寸相差过大，齿圈相对较薄，其表面的机加工痕迹容易成为淬火裂纹的起点。建议加强机加工生产过程的控制与检验，避免发生在齿圈表面发生机加工碰撞，同时注意热处理环节的淬火温度和冷却速度，及时回火以消除应力，注意选用合适的淬火油并及时更换新油。

参考文献：

[1]任颂赞，叶俭，陈德华.金相分析原理及技术[M] .上海：上海科学技术文献出版社，2013.930.

[2]金荣植.齿轮的热畸变、裂纹与控制方法处理 [M].北京：机械工业出版社，2014.279.

基金项目：江苏高校品牌专业建设工程项目（PPZY2015C234）

作者简介：张翔（1974—），男，江苏扬州人，硕士，讲师，研究方向：金属材料服役安全。