渗碳淬火齿轮磨削裂纹的失效分析.docx

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1、渗碳淬火齿轮磨削裂纹的失效分析目录1 .前言12 .情况介绍13 .理化检验2? ?宏观观察2? ?化学成分及夹杂物分析2?显微组织及硬度34 .磨削裂纹的产生原因与预防措施5? ?裂纹产生原因5? ?预防措施64. 3.渗碳齿轮磨削烧伤原因及改善84. 3. 1.损伤的原因84. 3. 2.磨齿损伤的检查94. 3. 3.磨齿损伤对承载能力的影响105.结论IO1 .前言齿轮是机械产品的重要基础零部件，磨齿是齿轮加工的一种精加工工艺，磨齿不仅能修正齿轮预加 工产生的各项误差，而且能显著提高齿轮箱的整体精度。随着对齿轮精密化要求越来越高，高效率、高 精度控制是企业生产追求的目标。磨削加工中，磨

2、削热中的60%95%的热量瞬时直接传给工件，这些 热量聚集在表层形成局部高温,超过临界值时就会造成热损伤。热处理时如造成如组织中有粗大网状或 条块状碳化物、残余奥氏体含量高、表面碳含量过高且波动较大、畸变较大等，或在磨削加工时因砂轮 种类、砂轮硬度及粒度、进给量、冲程速度、冷却条件等选取不合理，均会增大磨削裂纹的敏感性。在齿轮生产制造过程中，由于多种因素造成齿面磨削后出现缺陷，如磨削烧伤、磨削裂纹、磨削台 阶等，其中磨削裂纹是在发生了严重的磨削烧伤后产生的，会严重影响齿轮的制造精度、产品质量和使 用寿命。2 .情况介绍经渗碳、淬火和低温回火的齿轮类零件在磨削后会发现有浅裂纹，称作磨削裂纹。对有

3、磨削裂纹的 20CrMnMo钢齿轮进行了化学成分分析、金相检验和硬度测定，以揭示产生磨削裂纹的原因。结果表明， 齿轮的磨削裂纹是磨削过程中产生过高的磨削热所致，与热处理工艺无关。磨削加工是齿轮生产的必要环节，在机械行业中被广泛应用。经渗碳淬火回火后的零件在磨削时常 出现磨削裂纹，这些裂纹不仅影响齿轮的外观，还严重影响质量。磨削裂纹的深度一般较浅，方向与磨 削方向垂直，呈网状分布。引起磨削裂纹产生的原因有很多，如成分偏析、非金属夹杂、网状碳化物、 磨削量、砂轮硬度及粒度等。当工件表层的残余拉应力超过材料的抗拉强度时，便会产生磨削裂纹。通 常采用磁粉法、荧光法和酸浸法进行检测。太原重工生产的20C

4、rMnMO钢齿轮经过渗碳(930)+淬火(830)+回火(180C)后，在磨削加工过 程中磨齿机进行余量分配时共磨削十二刀，第七刀发现磨齿机电流突然增加，经检查发现齿面有裂纹， 磨齿机粗磨每次排刀0.02 mm,每刀分六冲程磨削。3 .理化检验?. 1.宏观观察通过对齿轮齿面裂纹进行宏观观察、磁粉探伤和酸浸试验，确定裂纹形态。图1(a)为齿轮的宏观 形貌，图1(b)为从齿轮上切割下的单齿齿面裂纹形貌，从图1(b)中可以看出裂纹呈线状分布，其分 布形态为从齿顶至节圆上部呈龟甲状，并且在裂纹下端靠近齿根部位有明显的焦黑状条纹，裂纹方向垂 直于磨削方向。图120CrMnM。钢齿轮及其表面裂纹(b)?

5、. 2.化学成分及夹杂物分析化学成分分析：根据图纸要求，该齿轮为20CrMnMo钢，为确认材质是否符合要求，采用 PMI-MASTER PRO光谱分析仪对齿轮的化学成分进行检测，结果见表1。从表1可以看出P含量略 微超标，但仍位于上限偏差范围内，基本符合20CrMnMo钢化学成分范围要求，其化学成分满足要求。表120CrMnMo钢齿轮化学成分(质量分数，%)项目CSMnSPCrNiMoCu标准值0.170 - 0.230 0.150 - 0.370 0.90-1.200.0250O.O25O1.10-1.40守啮统动实测值0.1770.2661.080.00350.02921.22-6.203

6、非金属夹杂物分析：为了判断锻件组织是否合格，根据要求对锻件的高倍夹杂情况进行分析，结果 如表2所示。高倍非金属夹杂物按GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物的含量的测定评定。结果 表明，齿轮锻件纯净度合格，满足要求。表2高倍非金属夹杂物分析项目A类（级）R类（级）C类（级）D类（级）粗系细系粗系细系粗系掴系粗系细系标准值2.53.02.02.51.52.0L52.5实测值01.001.001.001.0?. 3.显微组织及硬度显微组织：对本体进行解剖，取下齿形试样，分别对齿顶、裂纹面节圆、裂纹处及齿根处进行显微 组织观察，所用设备为Axiovert40MAT金相显微镜，依据JB/T 6

7、141.31992重载齿轮渗碳金相检验 进行检验，工件组织要求13级，结果如表3所示。表3组织检测结果检测结果齿项裂纹面节H）裂纹处街根M及A3级3级惮火马氏体3级碳化物1级I级I级1级心部组织3级3级3级3级表面脱碳层无明显脱碳层无明显脱碳层无明显脱碳层无明显脱碳层表面碳含我0.8%0.8%0.8灸0.8%图2分别为20CrMnMo钢齿轮齿顶马氏体及残留奥氏体、齿顶碳化物及心部组织形貌，与标准图 谱对照后，发现齿顶马氏体及残留奥氏体3级，为细针马氏体及30%残留奥氏体，齿顶碳化物为细颗 粒状碳化物，心部组织3级，为低碳马氏体加少量游离铁素体。裂纹面节圆处组织为马氏体及残留奥氏体，3级，属于细

8、针马氏体和30%残留奥氏体，并存在轻 微的二次淬火组织，碳化物1级，为细颗粒状碳化物，组织满足要求，没有超标现象。图2失效齿齿顶的马氏体和残留奥氏体、齿顶的碳化物（b）和心部组织（c） x500图3为裂纹处组织，为淬火马氏体。齿根处组织是马氏体及残留奥氏体，3级，为细针马氏体加30%残留奥氏体，碳化物1级，为细颗粒状碳化物，组织均满足要求。电囱轮传动图3裂纹处组织500为了更加清楚地观察裂纹处组织，对裂纹处进行组织检测。试样沿齿面并垂直于裂纹方向切割，尺 寸为 20 mm20 mm20 mm。在磨齿过程中，局部进刀量过大，导致接触面温度急剧上升，组织奥氏体化，在冷却液的作用下表 面产生淬火现象

9、，硬度上升，此为工件经过渗碳淬火后，经历的第二次淬火，次表层由于得不到及时冷 却，会在表层传来的递减的热量下被回火，硬度下降。图4为裂纹经抛光后的形貌，图5为裂纹腐蚀后的形貌，从图中可以看到裂纹处出现白亮区，为 淬火马氏体，判定为二次淬火组织。图5浸蚀后裂纹形貌500观察裂纹处组织发现，组织有白亮色和暗黑色两个不同区域，采用显微硬度计对两区域的硬度进行 检测，结果如图6所示。从图中可以看出黑色区域硬度值明显偏低，白亮区域硬度值为67.8 HRC和暗黑色区域硬度值51.8 HRCo白亮区内WJ便度 51 XHRC,Hr .xi i67 8 HRC出轮传旬图6近裂纹处硬度不同的区域500硬度检测：

10、对渗碳淬火后齿轮的硬度进行检测，所用设备为HM-221半自动显微硬度计，依据 GB/T 9450-2005钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核进行检测，结果如表4所示。从表中数据 可以看出，渗碳淬火后齿轮的硬度满足技术要求（5862 HRCJ0表4失效齿轮不同部位的硬度/HRC据表面硬度值/HRC距离mm齿顶节圆未磨处节已磨处齿根裂纹处0.161.062.562.056.764.30.361.161.761.256.652.50.560.860.660.256.956.60.760.860.661.357.058.31.060.960.560.456.960.31.360.760.060.056

11、.659.31.660.659.560.556.959.21.960.560.059.757.060.12.259.659.658.356.859.92.759.258.858.353.357.33.257.057.357.049.155.63.757.256.454.247.349.74.255.054.353.638.351.44.754.152.445.136.343.55.251.648.344.835.16.246.539.737.9进讫j手功4 .磨削裂纹的产生原因与预防措施?. 1.裂纹产生原因根据上述所作检测可以得出：材料的化学成分（见表1）及纯净度（见表2）满足要求，由此排除

12、了锻 件本身的质量问题。工件渗碳淬火后，组织中存在的残留奥氏体过多、网状碳化物等，会导致磨削过程中产生裂纹。网 状碳化物会使齿面硬度增大，在磨削过程中，砂轮与磨削面接触后造成磨削区温度迅速升高，易产生二 次淬火，残留奥氏体转变为马氏体时易使磨削区内应力增大。对工件本体解剖后分析齿顶、节圆、齿根 等处的显微组织(见表3),各处的组织均满足要求，排除网状碳化物及马氏体残奥超标造成开裂。在磨削过程中，如果齿面硬度偏高，在砂轮与齿面接触的瞬间，磨削区的温度会迅速升高，可能出 现局部过热现象，表层被二次淬火，次表层被回火，使显微组织发生变化，由于各组织的比容不同，在 二次淬火后会在表面产生残余拉应力，一

13、旦拉应力大于材料本身的抗拉强度，便会在齿面产生磨削裂纹。 对齿顶、节圆、齿根等处使用显微硬度计由外至内硬度检测(见表4),工件的表面硬度以及硬度降均能 满足要求。由以上结果可以排除工件渗碳淬火质量不良产生磨削裂纹的可能。工件磨削时，由于砂轮与工件之间的相对运动，必然导致工件表面温度的急剧升高，不同的温度梯 度，导致的裂纹形态也不同。当工件表面温度达到IOO C时，因表面马氏体分解，使表面承受拉应力 而开裂，裂纹形态与磨削方向垂直且相互平行。当温度达到300以上时，表面产生第二次收缩，使表 面拉应力超过脆断抗力而出现龟裂现象(2),如图2所示。有时表面温度可能达到820840或更高， 如果冷却不

14、充分，表面薄层重新奥氏体化，形成淬火马氏体，由组织应力和热应力导致出现磨削裂纹。由图6结合表4裂纹处的硬度降可知，裂纹处的硬度降在第一点白亮区(64.3 HRC),第二点黑色 区(52.5 HRC)以及第五点正常区(60.3 HRC)呈开口向上的U型曲线，与没有裂纹的正常区域的硬度降截 然不同。在磨削过程中齿面磨削区骤然受热，产生高温，表层小面积体积膨胀，组织奥氏体化，冷却液随之 对其冷却，产生二次淬火，表面急剧收缩，硬度增高，次表层区域被回火，硬度降低。在表层冷却收缩 的同时，由于冷却过慢，次表层仍处于膨胀状态，表面呈残余拉应力状态，随着磨削的进行，在齿面存 在切向应力，由于次表层硬度降低，其抗拉强度随之降低，在残余拉应力与切向应力的作用下齿面出现 裂纹。综上所述，齿轮磨削裂纹是磨削工艺不当导致磨削过热所致。?.2.预防措施喷丸强化：喷丸强化是利用大量高速运动的丸粒冲击工件的表面，使工件表面受到挤压，发生冷塑 性变形，形成表面压应力，这种压应力会抵消表面的一部分拉应力，从而有效降低了裂纹的产生机率。 本厂风电产品要求强力喷丸，自装备强力喷丸机以来，风电产品未曾因磨削裂纹而报废。热处理要求：对渗碳淬火工