专业，行星齿轮热处理后开裂失效分析

2021-04-09 13:13:10 作者：薄文丽来源：《金属加工（热加工）》杂志分享至：

应用于行星齿轮减速机的38件行星齿轮，其钢材18Cr2Ni4WA由A公司和B公司两个单位供货。这38件相同材料的行星齿轮经同炉热处理后，发现A公司供料的8件未见裂纹，而B公司供料的30件均有裂纹。

行星齿轮材质为18Cr2Ni4WA钢，热处理工艺为：渗碳930℃×1.1%C+930℃×0.85%C+840℃×0.68%C后炉冷至780℃出炉空冷，然后650℃两次高温回火，二次加热840℃×0.68%保温4h后淬火，油淬（油温65℃）+深冷处理+回火工艺180℃保温6h。

出现的问题是：由A公司和B公司供应相同牌号的齿轮材料18Cr2Ni4W钢，在同炉中进行正火和高温回火以及后面相同工艺的渗碳、淬火后，出现了完全不同的结果——A公司材料的8件未见裂纹，B公司材料的30件均有裂纹。其原因是什么？这是目前我们最关心的问题。

通过宏观观察、微观观察、金相检查、硬度测试以及能谱分析，我们确定了行星齿轮的开裂性质，并对其开裂原因进行了分析。

结果表明：行星齿轮开裂性质为热处理内应力作用下产生的沿晶脆性开裂。A公司和B公司材料轮齿心部组织均为马氏体，B公司材料马氏体组织较粗大；B公司材料轮齿心部晶粒大小不均，且较A公司材料齿心部晶粒大；B公司材料齿心部硬度和齿面渗碳层硬度均较A公司材料高。B公司材料轮齿开裂与组织和晶粒粗大、晶粒大小不均匀以及硬度较高等因素有关。

1.试验过程与结果

（1）宏观观察

行星齿轮开裂宏观形貌如图1、图2所示。开裂位置均位于齿的两个端面附近。裂纹荧光检测显示如图3所示，裂纹靠近齿轮两端，呈八字形貌。裂纹宏观形貌如图4所示：端面上裂纹没有扩展到齿面层（见图4a），心部裂纹的张口最宽；齿面上的裂纹没有扩展到端面和齿顶（见图4b）。

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图1 齿轮全貌、轮齿掉角

图2 齿轮掉皮、掉角

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图3 荧光检测的裂纹

（a）端面上裂纹（b）齿面上的裂纹

图4 轮齿端面和齿面上的裂纹

裂纹断口宏观形貌如图5所示，各断口均呈一定金属光泽，断口尺寸较大的轮齿断口（称之为轮齿断口1），心部有一区域可见光亮的金属刻面（见图5a），断口较小的轮齿断口（称之为轮齿断口2）心部区域未见明显的金属刻面区（见图5b）。

（a）轮齿断口1 （b）轮齿断口2

图5 轮齿断口1和断口2的形貌

（2）微观观察

将裂纹断口超声波清洗后进行微观观察。轮齿断口1的微观形貌如图6和图7所示，裂纹断口心部形貌具有沿晶断裂特征。断口心部金属刻面区微观形貌呈沿晶断裂特征，且晶粒较粗大，靠近心部区域呈沿晶+准解理特征，且随着向边缘靠近，准解理特征所占比重逐渐增加，渗碳层呈准解理特征。

（a）16× （b） 200×

图6 轮齿断口1的微观形貌

（a）500× （b）500×

图7 轮齿断口1渗碳层微观形貌

轮齿断口2的断口微观形貌与轮齿断口1相似，断口心部很小的区域呈沿晶断裂特征，且晶粒较粗大，心部其他区域呈沿晶+准解理特征，渗碳层呈准解理特征。

人工打断B公司和A公司材料的轮齿，断口均呈等轴韧窝特征，如图8、图9所示。

图8 B公司料断口（500×）

图9 A公司料断口（500×）

对轮齿断口1的裂纹断口进行能谱分析，结果如表1所示。裂纹断口未见明显异常元素。

表1 能谱分析结果（质量分数）（%）

（3）金相检查

金相检查取样：分别在B公司和A公司材料齿轮上从齿顶中心位置截取径向截面试样，磨、抛、腐蚀后进行金相组织检查。B公司和A公司材料轮齿的心部组织均为马氏体（见图10、图11），前者组织较粗大。

图10 B公司材料的心部组织

图11 A公司材料的心部组织

A公司材料轮齿边缘渗碳层碳化物呈网状分布（见图12），B公司材料轮齿边缘渗碳层碳化物网状分布不明显（见图13）。

图12 A公司材料渗碳层金相组织

图13 B公司材料渗碳层金相组织

轮齿断口1的裂纹断口沿晶开裂区附近为马氏体组织，如图14所示。B公司材料和A公司材料轮齿心部晶粒形貌如图15和图16所示。B公司材料轮齿心部晶粒大小不均匀，且晶粒明显较A公司材料轮齿心部晶粒粗大。

图14 断口沿晶开裂区附近金相组织

图15 B公司材料齿心部晶粒形貌

图16 A公司材料齿心部晶粒形貌

（4）硬度测量分别从A公司材料和B公司材料齿轮上截取垂直于齿轮轴向的横截面试样，磨、抛后对齿心部进行显微硬度测试，结果如表2所示。B公司材料轮齿心部显微硬度平均值约为465.76HV，高于A公司材料齿心部显微硬度（427.90HV）。B公司材料轮齿心部显微硬度转换成洛氏硬度约为46.5HRC，A公司材料齿心部显微硬度转换成洛氏硬度约为44HRC，技术要求36～44HRC。

表2 齿轮齿心部显微硬度测试结果（HV）