齿轮轴表面发纹产生原因

鞠 芳，张婷婷，罗 婷，赵喜庆

(凌源钢铁股份有限公司，凌源 122504)

45钢为优质碳素结构钢，硬度不高，易切削加工，调质处理后零件具有良好的综合力学性能，可用于生产连杆、螺栓、齿轮和轴类零件。某厂使用φ180 mm的45钢生产打印机传送齿轮轴，该齿轮轴的生产工艺流程为：下料→粗车→热处理(淬火860 ℃×90 min，油淬；回火500 ℃×120 min)→精车。在精车时发现齿轮轴表面上有多处纵向分布的发纹。为查找发纹产生的原因，笔者对其进行了一系列检验和分析，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

缺陷齿轮轴宏观形貌如图1所示，在齿轮轴处存在多条肉眼可见的发纹，沿轴向呈曲折锯齿状延伸，长10～20 mm。

图1 齿轮轴表面发纹宏观形貌Fig.1 Marco morphology of the hair cracks on the surface of the gear shaft

1.2 化学成分分析

对缺陷齿轮轴进行化学成分分析，结果见表1。可见该齿轮轴的化学成分满足GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对45钢的成分要求。

表1 缺陷齿轮轴的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the defective gear shaft (mass fraction) %

1.3 金相检验

在缺陷齿轮轴的发纹处截取纵向和横向金相试样。纵向金相试样打磨抛光后，可见发纹附近存在聚集的夹杂物，根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，可以确定这种聚集的夹杂物为A类硫化物，如图2 a)所示。横向金相试样打磨抛光后，可见发纹呈闪电状向内延伸，由于进行了500 ℃回火处理，裂纹内有氧化物产生，如图2 b)所示。用4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀横向金相试样，观察其微观形貌，可见发纹两侧及远离发纹处基体组织无差异，均为回火索氏体+网状铁素体+贝氏体，两侧无脱碳现象，表明裂纹区未经历高温过程，如图2 c)所示。

图2 齿轮轴发纹处金相试样浸蚀前后微观形貌Fig.2 Micro morphology of metallographic samples at the hair cracks of the gear shaft before and after etching:a)the longitudinal metallographic sample before etching;b)the transverse metallographic sample before etching;c)the transverse metallographic sample after etching

1.4 扫描电镜及能谱分析

沿发纹开裂方向将发纹打开，采用扫描电镜(SEM)观察其断口形貌，在断口内发现大量聚集的硫化物夹杂，主要为硫化锰夹杂，如图3和图4所示，这与金相检验的结果一致。

图3 断口SEM形貌及EDS分析结果Fig.3 The a)SEM morphology and b)EDS analysis results of the fracture

图4 断口处面扫描形貌及分析结果Fig.4 Scanning morphology and analysis results of the fracture:a)scanning morphology;b)analysis results of S element;c)analysis results of Fe element;d)analysis results of Mn element

2 分析与讨论

发纹是钢材表面及内部沿锻轧方向分布的很细小的裂纹，是钢中夹杂、气孔和疏松等被延伸的结果[1-3]。该齿轮轴的发纹呈曲折锯齿状，沿发纹两侧有严重的夹杂物分布，尾部也可见夹杂物，裂纹两侧无脱碳现象，有研究认为这是由非金属夹杂物引起的淬火裂纹特征[4]。也有研究认为裂纹如呈闪电状开裂，裂纹断裂面上无氧化颜色，裂纹四周无脱碳现象，即可判断该裂纹为淬火裂纹，若是由夹杂物引起，还可见呈偏析状分布的夹杂物[5]。

钢中硫化锰夹杂分布不均匀，会产生聚集现象。塑性较好而与基体结合又较弱的硫化物在应力作用下就会较早地导致硫化物与基体间的界面处开裂，形成分离裂纹，加之最大应力往往集中在夹杂物与钢基体界面上，少量的应变便会使夹杂物与钢基体界面形成孔洞[6]。

因此，该齿轮轴的发纹是由于大量的非金属夹杂物聚集导致。粗车工序使钢中非金属夹杂物暴露出来，在后续热处理过程中由于应力集中，产生沿夹杂物扩展的淬火裂纹，并最终形成可观察到的裂纹。

3 结论及建议

该齿轮轴上的发纹是由硫化物夹杂聚集导致的，热处理过程中聚集的硫化物夹杂引起齿轮轴应力集中，产生沿夹杂物扩展的淬火裂纹，并最终形成发纹。建议控制钢中夹杂物的均匀性，避免产生聚集现象，以减少发纹的产生。