齿轮轴纵向延迟开裂的原因分析

钱志高 张伟

[摘    要 ]齿轮轴是一种金属圆杆状的机械零件，主要用于支撑转动零件，并与之一起回转，从而传递运动、扭矩或弯矩。在加工制造或实际应用中，齿轮轴可能会出现各种质量问题，其中纵向延迟开裂是一种较为常见的情况。本文针对某齿轮轴样品的纵向延迟开裂问题，分别进行了化学成分检验、金相检验、显微组织检验等一系列工作，根据检验结果分析、判断了导致开裂的具体原因，即残余应力作用下的氢延迟开裂。最后提出了针对性的解决建议。

[关键词]齿轮轴;纵向延迟开裂;金相检验;断口分析

[中图分类号]TH132.41 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）11–00–03

[Abstract]Gear shaft is a kind of metal rod-shaped mechanical parts， which is mainly used to support rotating parts and rotate with them， so as to transfer motion， torque or bending moment. In manufacturing or practical application， there may be a variety of quality problems of gear shaft， in which longitudinal delayed cracking is a common case. Aiming at the problem of longitudinal delayed cracking of a gear shaft sample， a series of work such as chemical composition inspection， metallographic inspection and microstructure inspection were carried out respectively. According to the inspection results， the specific cause of cracking was analyzed and judged， that is， hydrogen delayed cracking under residual stress. Finally， the paper puts forward some suggestions.

[Keywords]gear shaft; longitudinal delayed cracking; metallographic examination; fracture analysis

作为机械装置的重要零件，齿轮轴的质量将会对机械装置的运行效率和使用安全产生直接影响。某齿轮轴的材质为20CrMnTi，加工处理流程为：棒料、机械加工、表面气体渗碳、淬火、低温回火。同一批次的齿轮轴中，有较多的零件均出现了纵向裂缝，因为达不到验收标准而无法交付。因此，必须要通过深入分析，明确导致齿轮轴纵向开裂的具体原因，然后采取改良工艺和处理措施，降低经济损失。

1 产品理化检验

1.1 化学成分检验

从齿轮轴上取少量样品，使用光谱仪进行化学成分分析。根据光谱仪分析结果，主要元素的质量分数如下：碳0.21%、硅0.28%、锰1.05%、铬1.30%、钛0.05%、磷0.02%。用实测值和标准值进行对照，发现各类元素的质量分数全部在标准范围以内，未发现异常，符合《合金结构钢（GB/T3007-2015）》中对20CrMnTi钢的成分要求。

1.2 金相检验及断口分析

从齿轮轴上切割少部分作为试样，使用工具将其磨制、抛光后，放于金相显微镜下进行观察。在左侧端面上，可以发现有一处较为明显的开裂，从端部轴壁向下贯穿于机加工的内孔。此处开裂为上宽下窄，端部裂口最宽处达到了1.3 mm。裂缝在内孔处停止，未扩展到右侧端面。裂纹较为平直，只有在轴体结构突变部位有轻微的变形。进一步观察可以发现，整条裂纹自始至终贯通，未出现断续情况。该裂纹的形状特征与淬火应力下开裂裂纹的特征相符合。

在完成表面观察后，使用工具将裂纹启开，对裂纹内部情况做进一步的观察和检验。可以发现，在齿轮轴的齿根表面1.4 mm×3.1 mm的长方形范围内，出现了裂纹。并且该裂纹从表层向深部继续扩展，裂纹的末端已经达到了齿轮轴的中心区域。另外，在显微镜下还观察到一條长度为1.4 mm，主要成分为镁铝氧化物的大尺寸非金属夹杂物的起裂源。从分布位置上来看，该起裂源靠近渗碳淬硬层，在基体过渡区上方。非金属夹杂物的两侧，可以观察到脆性沿晶（靠近渗碳淬硬层）和穿晶准解理（靠近基体过渡区）的混合断口。在起裂源右侧2.7 mm处的梭型凹坑内，还发现了另一处长度为1.7 mm的大尺寸夹杂物。进一步分析，发现夹杂物成分、外貌特征等，与上一处起裂源相似。参照《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法（GB/T10561-2005）》中的评定标准，观察到的两处起裂源大尺寸夹杂物的级别相当于B2.5级。

1.3 硬度检验及渗碳层深度测试

材料的环向抗拉强度为1100 MPa，规定非比例延伸强度为840MPa，断后伸长率为14%，断面收缩率为60%。齿腰处测得的表面渗碳硬化层深度为1.37 mm，轮齿心部组织的平均硬度为430HV0.5，不同测试点显微硬度值相差可达40HV0.5，存在硬度分布不均匀问题。材料力学性能和表面渗碳层深度均符合相关的技术条件要求。

1.4 显微组织检验

断裂源区附近的横剖面低倍组织比较均匀，除轻微的锭型偏析外，未见其它低倍组织缺陷。从低倍试样上还可以看到，淬火裂纹基本上沿径向扩展，从表面到心部裂纹比较平直，通过心部后扩展方向才发生偏转，说明裂纹扩展方向主要受淬火应力控制。在齿轮轴的纵向切割断面上，可以发现半径1/2处，以及裂纹源附近，分别含有较为明显的非金属夹杂物。通过提取这些夹杂物并进行成分分析，发现以点状氧化物为主，同时还含有少量的硫化物。提取齿轮轴表面渗碳层材料进行分析，结果表明材料属于针状回火马氏体组织;按照同样的方法，对齿轮轴心部材料进行分析，结果明显材料属于板条状回火马氏体组织。两处材料的检查结果均发现了较为严重的带状显微偏析。将上述观察及分析结果，对照《金属平均晶粒度测定方法（GB/T6394-2002）》中的相关规定，确定齿轮轴心部原奥氏体晶粒度为8.0级。

在显微观察中，使用高倍镜观察到，在裂纹两侧并未出现材料氧化、脱碳的情况，这也侧面印证了裂缝是在齿轮轴热处理环节出现的。进一步观察裂缝的纹路及走向，从位于材料内部的起裂源，沿着晶界由内而外的向表层延伸。这种分布形态与一般的调质热处理裂纹不匹配。提取裂缝两侧和断口处的夹杂物，其颜色为灰褐色，使用色谱仪分析后，判断该夹杂物的主要成分时FeS-FeO。同样的，这类物质也不可能在调质热处理的温度范围内产生。综合上述条件，可以推断出该裂纹的形成，是热处理环节锻造工艺不当或操作方法不当引起的。例如，在热处理时加热时间过长，导致材料中的MnS被氧化，成为了MnO，同样的，一部分Fe和S结合生成了FeS、还有一部分Fe氧化又生成了FeO。最终产物FeS-FeO在裂缝处不断积累，引起热脆，即锻造过程中发生了不可逆转的稳定过热。在齿轮轴的加工工艺中，虽然经过锻造处理后，齿轮轴的表面为由立刻出现裂纹，但是在内部微观结构上，晶界已经发生了较为严重的脆化。热处理中因为应力集中，内部脆化部分形成了裂缝，然后这些裂缝不断发育，由内而外的扩展，最终在齿轮轴的表面观察到纵向裂缝。

2 齿轮轴纵向延迟开裂的原因分析

结合齿轮轴的尺寸以及裂缝的宽度，可以计算出起裂源处的弹性应变量。在此基础上，绘制出弹性应力应变曲线，根据曲线能够粗略估算起裂源位置，经过热处理后周向残余拉应力约为620 MPa。由于该批次的齿轮轴刚制作完成、并未投入使用，在存储期间没有受到其他作用力的影响，可以初步排除是外部作用力导致的裂纹。同时，根据观察和分析起裂源周边拉伸断口和冲击断口，发现两处断口都是以准解理断口为主，这与起裂源断口的特征并不相同。根据这一现象，进一步验证了齿轮轴的裂纹与外力过载没有直接联系。另外，结合之前的观察和分析，可知在起裂源区的裂缝断口处，分布着较多的脆性沿晶。而脆性沿晶的形成，是氢致延迟断裂的一种典型特征。根据作用形式的不同，又可以分成外部氢和内部氢导致材料脆化、引发开裂的2种情况。具体到待测齿轮轴来说，结合前期观察结果和放置环境，空气干燥，未发现锈蚀痕迹，不具备外部氢导致材质脆化的条件，因此判断为内氢延迟断裂。

根据以往的经验，对于高强度的钢材料，发生氢致延迟断裂主要与2种因素直接相关，其一是应力过于集中，其二是氢的富集。正常情况下，根据《合金结构钢（GB/T3007-2015）》中对20CrMnTi钢的成分要求，氢的质量分数应控制在0.7×10-5以下，但是实际测量值达到1.2×10-5，氢含量超标。当材料局部的氢含量和应力值，超出了最大允许范围时，就会因为氢的富集，加速材料的脆化。与此同时，因为应力集中，导致脆化的材料发生延迟断裂。另外，当齿轮轴发生纵向开裂后，裂缝中存在的非金属夹杂物，还会对氢原子产生吸附作用。从而使周边的氢原子，或是外部氢原子不断的向裂缝位置移动、富集，最终裂缝处的局部氢含量明显超出正常值，促使裂缝进一步发育、扩展。大尺寸非金属夹杂物的存在导致高强度钢的连续性受到了破坏，开裂处能够承受的最大应力值也低于其他正常位置，这也会导致材料的延迟开裂进一步加剧。

齿轮轴表面经渗碳硬化处理后，沿深度方向碳含量分布形成较大的梯度，因此淬火后马氏体相变产生的体积变化不同，表面层残余应力的总体分布是表层渗碳区为压应力，渗碳层下过渡区残余应力逐渐由最大压应力过渡到最大拉应力。所分析齿轮轴表面下方2.2～2.5 mm深度处的硬度接近基体，为最大残余拉应力分布区域。可见，裂纹源处的非金属夹杂物恰位于最大残余拉应力区。裂纹源右侧夹杂物虽然尺寸更大且周围已发生氢致延迟裂纹，但由于其位置更深，残余拉应力值略低，因而没有先于源区的裂纹发生大面积扩展。

在前期的金相检验中，起裂源区的夹杂物不易检测，给检验、分析带来了一定的难度。究其原因，与夹杂物的来源有密切关系。分析发现，这些夹杂物都属于外源性非金属夹杂物，而普通的金相检验，只能检测到内生性非金属夹杂物。为了准确识别起裂源区夹杂物的成分、特征，考虑使用无损检测代替金相检验。从实际应用效果来看，无损检测通过非接触式的方式，对裂缝内存在的夹杂物进行准确识别，为分析延迟开裂提供了必要的参考。此外，根据观察和分析，齿轮轴还表现出较为明显的带状显微偏析。材料硬度并不均匀，起裂源就分布在硬度偏小的区域。

3 结论及建议

3.1 分析结论

通过开展一系列实验和分析，可以确定该齿轮轴的裂缝，是热处理过程中产生的残余应力过于集中，加上内部氢在局部富集，导致材料脆性增强，因为应力过载而引发的延迟开裂。开裂方向与应力方向相同，故表现为纵向裂缝。其中，齿根下方既是拉应力区，同时又容易集聚非金属夹杂物，这是导致裂缝形成后，继续发育和扩展的重要原因。在齿轮轴的加工过程中，经过热处理环节后，材料局部硬度发生变化，导致硬度不均匀，在硬度偏小的区域，齿轮轴材料的环向力学性能遭到了破坏，也是引起氢致延迟开裂的又一重要原因。

3.2 解决建议

在检验方面，齿轮轴送检时应当将大尺寸非金属夹杂物作为重点检查对象。如果常规的金相检验不能准确、清晰的观察到非金属夹杂物，还应考虑使用无损检测。在加工方面，在齿轮轴的加工工艺中，可以适当增加回火温度，并且相应的缩短加热时间。这样能够有效降低热处理环节中的残余应力，从而降低了出现延迟开裂的概率。

结语：齿轮轴的断裂是生产制造和使用运行中较为常见的一类故障。使用过程中出现断裂，可能与荷载过大等外部因素有关。但是如果刚出厂、未使用的齿轮轴出现了开裂，则考虑是生产工艺出现了问题。为了从源头上解决问题、遏制损失，必须要选取出现裂缝的齿轮轴样品进行检验和分析。在本文的研究中，针对断裂的齿轮轴样品，分别进行了金相檢验、断口分析、化学成分检验、显微组织检验等一系列工作。根据观察到的现象和检验的结果，最终判断该齿轮轴的断裂，属于氢致延迟开裂。氢原子在局部富集，导致钢材料的脆性增强。同时，由于应力集中，引起裂缝。明确了原因后，提出了提升回火温度并缩短加热时间的解决建议。经过工艺改良后，新生产的齿轮轴未再发现纵向延迟开裂的情况，问题得到了解决。

参考文献

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