40CrNiMo 齿轮表面开裂失效分析

文／李超越，梁国平，潘嘉玉·太原重型机械集团有限公司

本研究通过低倍分析、化学分析、非金属夹杂物检测、显微组织分析和显微硬度检测等方法，对40CrNiMo 齿轮表面开裂进行了研究与分析。结果表明，齿轮表面开裂的主要原因是磨削工艺操作不当所致，同时，齿轮存在严重的枝晶偏析，造成内应力不均匀，对磨削开裂有促进作用。

材质为40CrNiMo 的齿轮产品经锻造→调质→机加工(开坯)→中频淬火→回火→磨齿等主要生产工序后，进行磁粉探伤发现多条小裂纹。

现场观察

图1 为齿轮表面开裂宏观照片。图1(a)和1(b)裂纹肉眼不可见，现场再次通过磁粉探伤观察，在多个轮齿齿面可见裂纹，裂纹特别细小，长约5 ～20mm不等，齿面磨削表面粗糙度较差，机加工纹路明显。

试验分析

低倍试验分析

根据GB/T 226-2015 对开裂齿轮截面进行热酸浸试验，试验结果如表1 所示，齿轮锻件枝晶偏析严重，均匀性差。齿轮截面低倍照片见图2。

表1 截面热酸浸试验结果

图2 齿轮截面低倍照片

化学成分试验分析

对表面开裂齿轮进行化学成分检测，结果如表2所示，齿轮成分符合40CrNiMo 钢材质的技术要求。

表2 40CrNiMo 的化学成分(wt%)

非金属夹杂物检测

在开裂齿轮上取高倍试样进行非金属夹杂物的检测，根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评定各类非金属夹杂物级别，试验结果如表3 所示，各类非金属夹杂物含量的评级均满足技术要求。

表3 非金属夹杂物检测结果

金相分析

在开裂齿轮表淬层、过渡层和心部，分别切取金相试样进行晶粒度和显微组织的检测判定，结果如表4 所示。在齿轮表淬层晶粒度为10.0 级，显微组织为微细马氏体；在过渡层晶粒度为9.0 级，显微组织为微细马氏体+少量极细珠光体+少量铁素体；齿轮心部晶粒度为7.0 级，显微组织为回火索氏体+铁素体+贝氏体。试验结果表明，齿轮锻件纯净度合格，晶粒度合格，表淬组织状态正常，均在合格级别范围内。齿轮不同位置显微照片见图3，图3(a)为齿轮边缘组织，图3(b)为齿轮过渡层组织，图3(c)为齿轮心部组织。

表4 金相组织、晶粒度检测结果

图3 齿轮不同位置显微照片

显微硬度

通过显微硬度法测定齿轮硬化层的深度，齿轮表层显微硬度变化曲线如图4 所示，从图4 中可以看出从齿轮表面向心部5.6mm 的硬度值约稳定在545HV，随后硬度值开始迅速下降，最后在距离齿轮表面约8.7mm 处的硬度值开始稳定在260HV，有效硬化层深度为7.411mm。

图4 齿轮硬化层硬度

裂纹分析

裂纹微观形态呈现垂直由外而内开裂，裂纹尖端明显可见沿晶界扩展，裂纹深度约为0.5mm，完全位于脆硬层内，裂纹旁组织为细微马氏体，无脱碳现象，晶粒度10 级。齿轮裂纹显微照片见图5，图5(a)为整条裂纹照片，图5(b)为裂纹尖端照片。齿轮裂纹处显微组织见图6，图6(a)～图6(c)为裂纹周围显微组织。试验结果表明，裂纹符合磨削裂纹形态。

图5 齿轮裂纹显微照片

图6 齿轮裂纹处显微组织

讨论与分析

齿轮化学成分符合40CrNiMo 材质要求，锻件纯净度、致密性合格，但存在严重的枝晶偏析，均匀性较差。严重的枝晶偏析系钢锭偏析严重，锻造过程中又未充分改善所致。严重的枝晶偏析可造成钢中微区成分的偏析和不均匀。

齿轮采用中频淬火，表淬组织为6 级，微细马氏体，晶粒度10.0 级，属于合格级别；表明表淬工艺合理，未发生过热现象。

齿轮表面裂纹特别细小，肉眼宏观不可见，磁粉探伤才可辨别。微观形态垂直表面，由外而内沿晶界扩展，裂纹旁组织为微细马氏体，无脱碳现象，均表明裂纹系典型磨削裂纹。磨削裂纹是磨削拉应力超过材料断裂强度所致。磨削拉应力包括磨削加工应力和工件内应力，其中磨削加工应力与磨削进给量、砂轮锐利程度、冷却液状况、磨削角度有关。轮齿宏观齿面明显可见粗糙纹路，表明磨削量偏大或砂轮锐利程度不足，加之齿轮锻件本身严重的枝晶偏析，造成表淬后内应力分布不均匀，对磨削开裂又有一定促进作用。在磨削过程中一旦应力超过材料断裂强度，即引起磨削开裂。

结论

齿轮化学成分符合技术要求，齿轮锻件纯净度、致密性合格，但存在严重的枝晶偏析，均匀较差。齿轮锻件表淬层组织正常，表面中频淬火工艺合理。齿轮表面裂纹系典型磨削裂纹，磨削裂纹形成主要原因系磨削工艺不当，同时，锻件存在严重的枝晶偏析造成内应力不均匀，对磨削开裂有促进作用。