20CrMoA齿轮开裂原因分析

Dream

作者：南京钢铁联合有限公司 王信沛


摘要：本文通过对20CrMoA开裂齿轮的化学成份、断口、硬度、金相组织进行检验和分析研究，指出20CrMoA齿轮开裂的原因是渗碳工艺出现高碳势过热异常造成的。
关键词：开裂；渗碳；硬化层

某公司生产的20CrMoA圆钢供苏南某厂生产齿轮，在装配时发现部分开裂。该齿轮一般经过下料→退火→冷挤→机械加工→渗碳→磨加工等工序，为了找出其开裂的原因，笔者对齿轮的化学成份、硬度、脱碳和金相组织等进行了检验和分析。

1 检验结果

1.1 断口形貌

该齿轮的裂纹沿轴向分布，源于齿轮的底部并贯穿其全部(见图1)。经剖开后，断口的近表面呈亮瓷色，内部呈暗灰色。


图1开裂齿轮宏观形貌

经过扫描电镜分析，断口近表面的形貌为冰糖状断口，[见图2(a)]，均发生在齿轮底部(即横截面上最薄弱的部位)，是典型的脆性沿晶断裂特征。内部断口的形貌为韧窝，[见图2(b)]，是塑性断裂。其间有少量条状夹杂物，其X射线能谱分析结果为MnS夹杂。

(a) 近表面层；(b) 内部
图2 断口形貌


1.2 化学成分

开裂齿轮的化学成分(质量分数，%)见表1，符合GB/T3077中20CrMoA钢的标准。



1.3 金相检验

在齿轮上截取相关部位的金相样品，对其进行金相组织分析，其组织见图3。

组织分为边缘区、过渡区和中心区[图3(a)]。边缘区的表层组织为块状碳化物及少量网状碳化物[图3(b)]；过渡区的组织为马氏体、残余奥氏体、少量块状碳化物及沿晶界的索氏体(黑网状)[图3(c)]；中心区的组织为低碳板条状马氏体[图3(d)]。次表层组织为粗针状马氏体和残余奥氏体、少量块状碳化物[图3(e)]；其渗碳层为0181mm。


(a) 组织的分区； (b) 边缘区； (c) 过渡区； (d) 中心区； (e) 表层组织
图3 开裂齿轮的金相组织

由夹杂物的评定结果可知，样品中非金属夹杂物级别并不高，为1.5～2.0级(见图4)


图4 非金属夹杂物

1.4 硬度检测

由测试得知:渗碳层深度为0181mm，表面硬度为HRC61，符合设计要求(HRC56～64)。硬化层深度检测结果见表2。



由表可知，齿轮的硬化层深度约为0175mm，而齿轮的轴套的壁厚约为215mm，轴套内外壁硬化层的深度之和已达115mm，因此，实际心部非硬化的韧性区仅为1mm左右。

2 分析与讨论

齿轮边缘区的表层组织为块状碳化物及少量网状碳化物，它是由于材料含碳量过高及渗碳温度过高引起的；淬火时温度太低，渗碳预冷后，使碳化物沿奥氏体晶界析出，在重新加热时没有消除；此外，渗碳后冷却太慢也易形成网状碳化物。渗碳层出现网状或大块状碳化物，破坏了表层组织的连续性，在碳化物和基体组织的交界处，容易产生疲劳裂纹。次表层组织为粗针状马氏体和残余奥氏体及少量块状碳化物。在正常情况下，渗碳层应为回火马氏体、均匀分布的颗粒状碳化物和少量的残余奥氏体。马氏体粗大同渗碳温度过高有关。渗碳过程中奥氏体粗化，直接淬火后马氏体必然粗化。若渗碳件淬火温度过高有关也容易出现粗大马氏体。中心区域组织为低碳板条马氏体，其板条马氏体较粗大，这是由于心部区域淬火温度较高及冷却过程中的冷却速度相对较低而形成的。

渗碳层出现网状或大块状碳化物，破坏了表层组织的连续性，在碳化物和基本组织的交界处，容易产生疲劳裂纹。

硬化层过厚与渗碳温度过高和保温时间过长等因素有关。

3 结 论

由于齿轮基体的化学成份和夹杂物等级符合标准要求，说明材质状况良好。20CrMoA钢齿轮开裂是因为渗碳淬火温度过高及冷却介质温度偏低造成的。应合理地控制炉内碳势，保证足够的扩散时间和适当的淬火温度，严格控制好保温时间和冷却的温度。

天天小非

该论文所阐述的过程对导致的结果证据不足，该论文一般

Dream

那请小非专家具体分析一下好吗？

天天小非

首先、结论中提出碳淬火温度过高，但是碳淬火温度过高最主要的体现为马氏体粗大，特别是心部晶粒度大。但是在论文中没有涉及这方面的东西只说了教粗大，没有数据的说明。
其次、结论中提出冷却介质温度偏低只是一种猜想，并不是实验获得的数据，这个在论文中不应该出现的。

fengfeng

除了判断是淬火裂纹外，就论据来说，很难再推断出什么了。

fengfeng

裂纹是两根，在一个轴线上，像是激冷后相变涨爆的。和齿轮底部最薄弱推断看不出有什么联系。
至于碳势高、淬火过热之类的，只有同炉工件大量淬裂才能这么说。如果只是1个2个淬裂，什么可能性都有。
曾经有根高速钢麻花钻，淬火落到油池底部，冷透捞上来，裂了。从金相上根本就没法分析。总不能看到内部共晶碳化物粗大，而推断原材料不合格吧？

耿建亭

在齿轮上截取相关部位的金相样品，对其进行金相组织分析，其组织见图3。

组织分为边缘区、过渡区和中心区[图3(a)]。边缘区的表层组织为块状碳化物及少量网状碳化物[图3(b)]；过渡区的组织为马氏体、残余奥氏体、少量块状碳化物及沿晶界的索氏体(黑网状)[图3(c)]；中心区的组织为低碳板条状马氏体[图3(d)]。次表层组织为粗针状马氏体和残余奥氏体、少量块状碳化物[图3(e)]；其渗碳层为0181mm。


不知上面说的马氏体是淬火马氏体还是回火马氏体啊,我看不懂金相.看字看挺象淬火马氏体的,因为一般回火马氏体都要在马氏体前面加上回火.

别的看不懂了

耿建亭

请教一下,为什么裂纹在圆孔处没有中止呢?

耿建亭

渗碳层出现网状或大块状碳化物，破坏了表层组织的连续性，在碳化物和基本组织的交界处，容易产生疲劳裂纹。


装配前就出现了疲劳裂纹?这可能性小吧?即使是容易产生,但感觉在此论文中不应该出现此条,因为此条与论文主题感觉好象关系不大.

耿建亭

这是由于心部区域淬火温度较高及冷却过程中的冷却速度相对较低而形成的。


心部淬火温度高?可能另一个意思暗指表面与心部的淬火温度不一致吧,即由于降温时间短,表面降下了,但心部温度还是高的吧?

冷却过程中冷却速度相对较低?这也能得到板条马氏体?
中心区的组织为低碳板条状马氏体[图3(d)]。

淬火时温度太低，渗碳预冷后，使碳化物沿奥氏体晶界析出，在重新加热时没有消除；此外，渗碳后冷却太慢也易形成网状碳化物。渗碳层出现网状或大块状碳化物，破坏了表层组织的
看此话,此件的热处理当为先渗,然后再加热淬火的工艺了,可是为什么会出现最后的心部淬火温度过高?不懂


灌水了,个人水平不足所造成.对不起大家了.

不过总的来讲,一个上传能得到大家的重视,感谢楼主所传

[ 本帖最后由 耿建亭 于 2008-1-17 22:16 编辑 ]

华海

是淬火裂纹!冷却太快所致!是不是冷却液有问题或冷却方式有问题!

Dream

感谢耿工进一步补充，请专家多多发表意见，以便大家学习！

lxh510125

该论文看不出因果关系,让人腾云驾雾,比得上叶孤城了剑法了.

philipstt

本人是搞无损检测的，问一下耿工最后一道加工工序结束后多长时间出现的裂纹？

uu263

此类分析要多鼓励，多讨论。

落水残阳

有时候发现现在那些论文真没法看。就这个论文来说：
既然是裂纹，怎么也得看看裂纹横截面是个啥样；
既然打开了断口，又做了扫描电镜，怎么也得把图片放上去给人家看看；
裂纹源是一笔带过的。
哎。希望坛子里的专家们要么不要写论文，要写就一定要经得住推敲，不要给广大读者错误的指引。