[转帖]22CrMoH钢齿轮淬火畸变与开裂原因分析及对策

kalser

通过金相检验和扫描电镜等检测手段对齿轮淬火畸变与开裂进行了分析。结果表明，齿轮材料中带状组织严重偏析和金相组织不均匀是导致齿轮产生淬火畸变与开裂的主要原因。同时，主动齿轮材料中渗入的氢加速了裂纹的扩展。
关键词：22CrMoH钢；齿轮；淬火畸变；开裂；带状组织

我厂生产的“解放”牌7t载货汽车后桥主、从动圆锥齿轮经渗碳、淬火、回火和抛丸清理后，在交检过程中发现有几十件(占总数2%)主动齿轮沿轴向产生贯穿性裂纹；同时有部分从动齿轮因热处理淬火畸变超差达不到产品技术要求，虽经采取措施进行返修处理，仍有部分(占总数1%)从动齿轮因淬火畸变严重超差而报废。这些问题的出现给企业正常生产造成了很大困难，为此，工厂组织有关人员对此批齿轮产生报废原因做了全面分析，并做出整改措施。

1齿轮技术要求与原热处理工艺

1.1齿轮材料

采用国产22CrMoH钢，材料化学成分要求执行GB/T5216—2004《保证淬透性结构钢》标准，其主要化学成分(质量分数，%)为:0.19～0.25C、0.55～0.90Mn、0.17～0.37Si、0.85～1125Cr、0.35～0.45Mo、≤0.030P、≤0.030S。

1.2产品技术要求

要求齿轮渗碳有效硬化层深1.7～2.1mm；碳化物1～5级，马氏体、残留奥氏体1～5级，齿轮表面与心部硬度分别为(60～64)HRC和(35～40)HRC，检验按QC/T262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准规定执行。带状组织检验执行长春一汽A08M-10.1—2002《结构钢带状偏析组织金相检验》标准，1～3级为合格。

1.3热处理工艺与设备

齿轮渗碳淬火、回火设备采用连续式气体渗碳炉。其热处理工艺路线为(60～70)℃清洗除油→(450～500)℃预处理→(880～900)℃预热(1区)→(920～925)℃预渗碳(2区)→(925～930)℃渗碳(3区)→(890～910)℃扩散(4区) →(840～850)℃预冷淬火(从动齿轮为(860～880)℃压床淬火，淬火油温为90℃)(5区) →(60～70)℃清洗→180℃×6h回火→30min抛丸清理→交检。

2检验方法与结果

2.1宏观检查

主动齿轮的裂纹起源于花键根部应力集中处，沿轴向贯穿整个轴径圆柱体。部分严重主动齿轮裂纹还贯穿齿根与齿顶处，见图1。

图1出现裂纹的主动齿轮宏观照片

2.2淬火畸变检测

这批主动齿轮淬火畸变检测结果见表1，由表1可见，因主动齿轮淬火畸变增大，合格率下降了20%左右。对因淬火畸变超差的从动齿轮虽经采取措施进行返修处理，但仍有部分齿轮因严重淬火畸变而报废。表2为因淬火畸变严重超差而报废的从动齿轮的检验结果。


2.3化学成分检查与硬度测定

主、从动齿轮化学成分检查结果均符合要求，见表3。主动齿轮表面与心部硬度分别为62HRC和36HRC；从动齿轮表面与心部硬度分别为60HRC和35HRC，硬度测定结果均符合产品技术要求。


2.4金相观察与带状组织的检查

用线切割方法在带有裂纹的主动齿轮轴径处做横向切割，发现裂纹从表面到中心深(10～25)mm。对裂纹附近外廓表面做金相检验发现:碳化物为1级，马氏体、残留奥氏体为4级，合格；渗碳层深度为119mm，合格。做裂纹深度方向的金相检验，发现无增碳、脱碳情况，说明裂纹是主动齿轮在淬火过程中及随后产生的，不是锻造折皮或外裂纹所致。同样，用线切割方法从因淬火畸变严重超差而报废的从动齿轮上截取一块30mm×20mm×12mm试块做带状组织检验；然后再从该齿轮上截取一齿形试块做淬火回火状态下的金相检验，检验结果:碳化物1级，马氏体、残留奥氏体4级，组织合格；渗碳层深度为1180mm，合格。

将带有裂纹的主动齿轮和因淬火畸变严重超差报废的从动齿轮中切取的试块做950℃×1h+650℃×2h等温退火处理，然后检查其金相组织，结果发现：

①主动齿轮的裂纹是沿带状组织中的铁素体带起裂并扩展，裂纹与带状组织方向平行。有的部位裂纹呈锯齿状，并有较严重次生裂纹产生，见图2a；有的部位裂纹呈碎裂状，见图2b。

图2带有裂纹的主动齿轮等温退火后组织×100

②在从动齿轮的同一个试块的3个不同方向各选一个区域进行拍照，第一区域金相检查结果为带状组织极为粗大，带状组织>4级，珠光体的体积分数明显偏高，约占60%，见图3a；第二区域内的珠光体形态粗大，体积分数约占40%，带状组织为3～4级，见图3b；图3c为第三区域金相组织，其带状组织为2级，合格。

图3从动齿轮等温退火后的组织×100

2.5断口形貌观察

将带有裂纹的主动齿轮的试块(切片)沿着裂纹面剖开，制成断口试样，并用丙酮试剂清洗断口，然后在S2530型扫描电子显微镜下进行断口观察。结果发现，在距表面115mm左右深度内的区域为沿晶断口+准解理断口，沿晶断口面积约占60%左右，沿晶断口晶界棱线清晰，同时晶面上有显微孔洞和发纹，呈现出典型氢脆断口的微观特征，见图4a～4c。

图4主动齿轮裂纹断口的SEM形貌

3结果分析与讨论

文献[1]指出，低碳合金钢中的带状组织是指沿钢材轧制方向形成的，以先共析铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此堆叠而成的铸态组织，是经常出现在钢材中的缺陷性组织。由于钢液在铸锭结晶过程中选择性结晶形成化学成分呈不均匀分布的枝晶组织，铸锭中的粗大枝晶在轧制时沿变形方向被拉长，并逐渐与变形方向一致，从而形成碳及合金元素的贫化带(实际上是条)和贫化带彼此交替堆叠，在缓冷条件下，先在碳及合金元素贫化带(过冷奥氏体稳定性较低)析出先共析铁素体，并将多余的碳排入两侧的富化带，最终形成以铁素体为主的带；碳及合金元素富化带，其过冷奥氏体稳定性较高，在其后形成以珠光体为主的带，因而形成了以铁素体为主的带与以珠光体为主的带彼此交替的带状组织。因此，带状组织形成原因是由于铸态组织中存在比较严重的偏析[2]。偏析，即钢的成分与组织的不均匀性的表现[3]。热轧后的偏析区将形成带状组织分布。成分偏析越严重，形成的带状组织也越严重[1]。合金元素的带状偏析分布是形成带状珠光体2铁素体组织的必要条件，这种合金元素的带状偏析分布不易消除[4]。带状组织的出现增大了工件的畸变与开裂的倾向[1，5，6]。通过以上检查发现，带有裂纹的主动齿轮与因淬火畸变严重超差而报废的从动齿轮虽经等温退火处理，但带状组织偏析依然存在，说明钢材本身带状组织偏析严重，组织不均匀。由此可以分析:

(1)引起从动齿轮淬火畸变严重超差而报废的主要原因是由于齿轮的金相组织均匀性差，带状组织级别超差。同一试块的不同区域带状组织形貌及级别相差较大，组织不均，使得齿轮在热处理过程中引起膨胀系数和相变前后比容差异增大，从而产生了很大的组织应力，最终使齿轮淬火畸变增大。这与表2实际检测结果是一致的。

(2)引起主动齿轮产生轴向裂纹的主要原因是由于带状组织严重超差造成的。这是因为带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能不同，在外力作用下，性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而造成了总体力学性能降低，并且有明显的各向异性[1，4]。这使得材料的横向断裂强度大大低于纵向断裂强度[4]。在热处理过程中，组织应力(以组织应力为主)和热应力在这些成分不均的偏析微区将会产生应力集中，最终导致主动齿轮沿此薄弱区开裂。

同时，通过扫描电镜观察断口，因冶金或其他因素导致齿轮材料中渗入的氢在偏析区富集，使材料脆性增大，这进一步加速了裂纹的扩展。

4改进措施及效果

(1)改进钢厂和锻造厂的生产技术按照文献[1]中的有关改进措施，要求钢厂和锻造厂采用电渣重熔，增大钢液结晶速度，增大锻造比，提高终轧(锻)温度和扩散退火等技术来改善或避免材料带状组织的产生。

(2)加强管理，完善制度①首先从源头严把原材料入厂关，同钢厂签定所购钢材技术协议，对所需钢材不仅要求带状组织≤3级，而且还要对所购钢材的化学成分、钢材纯净度、疏松与偏析、非金属夹杂、晶粒度、材料淬透性能、力学性能等指标提出具体要求。并对入厂钢材进行带状组织等方面的检查，要求带状组织≤3级的钢材(包括其它指标也合格)方可入厂。②对机加工前的齿轮锻件毛坯也得进行金相检验，尤其注重外协件的检查，除检查随带试块外，还要对此批锻件毛坯进行随机抽样切割检查，带状组织≤3级的锻件毛坯(包括其它指标也合格)方可流入下一工序。

通过采取以上措施，工厂没有再发生类似问题，使生产正常进行，产品质量得到了有效控制。

5结论

(1)由于从动齿轮中不同区域的带状组织形貌与级别相差较大，金相组织不均匀，带状组织级别超差，使得材料的相变过程产生差异，从而产生了很大的组织应力，使齿轮淬火畸变增大，最终导致从动齿轮在渗碳淬火过程中因淬火畸变严重超差而报废。

(2)严重的带状组织偏析造成钢材的各向异性，降低了材料性能，使材料的横向断裂强度大大低于纵向断裂强度。在热处理过程中，组织应力(以组织应力为主)与热应力在这些成分不均匀的偏析微区将会产生应力集中，导致主动齿轮沿此薄弱区开裂。同时，因冶金或其他因素导致材料中渗入的氢在偏析区富集，使材料脆性增大，并进一步加速了裂纹的扩展。

(3)通过要求钢厂和锻造厂采取措施提高钢材、锻件毛坯质量。同时，工厂制定齿轮用钢和锻件毛坯技术要求，并加强检验管理，以上问题的发生是可以避免的。

(4)出现裂纹的主动齿轮，其材料中氢的来源有待进一步分析。