20CrMnTi齒輪軸斷裂原因分析加翻譯版

1、20CrMnTiH齒輪軸斷裂原因分析劉健，陳宏豫，寇志賢，李春玉（承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰炯夹g(shù)處，河北興隆067201）摘要：采取宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、金相分析等手段對20CrMnTi齒輪軸斷裂原因分析，結(jié)果表明，熱處理后基體強(qiáng)度偏低和相對于承載能力而言工作應(yīng)力較大是導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生快速脆性斷裂的主要原因。關(guān)鍵詞：齒輪軸、斷裂分析、組織20CrMnTiHGearAxleBreakAnalysisofCausesLIUJian,CHENHongyu,KOUZhixin,LiChunyu（Chengdelongspecialsteelco.,Ltd.TechnicalDepartment,Heb

2、eiXinglong067201）Abstract:Inthisarticleusemacro-morphologyanalysis,chemicalanalysis,microstructureanalysisbymeansofthegearshaft20CrMnTiFailureAnalysis,Lastshowthematrixstrengthafterheattreatmentrelativetothecarryingcapacityoflowandworkstressintermsoflargergearshaftleadingtothemainreasonofrapidbrittl

3、efracture.Keywords:GearshaftFractureAnalysisOrganization某公司用20CrMnTiH作為農(nóng)用三輪車變速箱上的四輪曲軸齒輪主選材，安裝該批齒輪軸的三輪車發(fā)生多起斷軸現(xiàn)象，斷軸時(shí)行使時(shí)間大約100小時(shí)。齒輪軸加工工藝：圓鋼（直徑為（）45mm經(jīng)冷剪下料反射爐加熱模鍛正火機(jī)加工滲碳淬火180-200C回火噴砂磨加工（花鍵外圓）尺寸檢驗(yàn)合格發(fā)貨。設(shè)計(jì)齒輪軸滲碳硬化層厚度0.6-1.0mm,齒面硬度58-64HRC,心部組織硬度33-40HRC1試樣的制備及試驗(yàn)方法對發(fā)生斷裂的齒輪軸線切割取樣，宏觀檢測端口表面形狀，進(jìn)行力學(xué)性能、化學(xué)成分和金相組織分

4、析，找出發(fā)生斷裂的原因。2試驗(yàn)結(jié)果分析2.1斷裂齒輪軸成分分析化學(xué)成分見表1表1材料化學(xué)成分分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對照（W/%Tab1Chemicalcompositionanalysisandcontrolstandardrequirements(W/%CSiMnPSCrNiCuTi四軸0.210.240.880.0200.0121.070.0220.0140.05920CrMnTiH標(biāo)準(zhǔn)0.17-0.230.17-0.370.80-1.150.0350.0351.00-1.350.300.250.04-0.10由表1看出：斷裂齒輪軸的化學(xué)成份符合GB/T5216-2004中對20CrMnTiH

5、鋼的規(guī)范要求。2.2斷裂齒輪軸力學(xué)性能在軸的表層和心部位置制取。5mmi伸試樣進(jìn)行常溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2,由表2知，材料心部屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率略低于表層，但相差不大。參考GB/T3077對20CrMnTi鋼淬火和低溫回火后的力學(xué)性能要求，可看出齒輪軸基體熱處理后的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于該材料熱處理后的參考值。表2力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與20CrMnTi參考值對照表Tab2Mechanicalperformancetestresultsandreferencetables20CrMnTi抗拉強(qiáng)度RM(MPa規(guī)定費(fèi)比例延伸強(qiáng)度Rp0.2(MPa斷后伸長率A(%斷后面縮率Z(衿四軸表層86

6、060521.566.5心部86056520.060.5GB/T3077參考值>1080>835>10>452.3 斷裂齒輪軸斷口宏觀形貌分析齒輪軸斷裂位置及宏觀斷口形貌見圖1,為橫向斷裂，斷裂面位于花鍵齒起始的變截面臺階處。肉眼觀察，斷口上有較粗糙的輻射狀花樣，根據(jù)輻射狀花樣的收斂位置看出斷裂方向，如圖中箭頭所示，斷裂始自斷齒變截面臺階根腳線開始，單向擴(kuò)展直至斷裂。斷口呈閃晶狀金屬光澤，為宏觀脆性斷口。宏觀形貌成略微漩渦形態(tài)的纖維放射狀，四軸自表面向內(nèi)擴(kuò)展。宏觀端口分析表明，齒輪軸斷口是以扭曲為主的應(yīng)力作用下自軸齒變截面臺階根腳線表面應(yīng)力集中位置開始的脆性斷口。圖1齒

7、輪軸斷裂位置和斷口宏觀形貌Fig1Gearshaftfracturelocationandmacro-fracturemorphology2.4 斷裂齒輪軸微觀形貌分析齒輪軸微觀斷口形態(tài)如圖2所示，SEMF高倍觀察，斷口為河流狀穿晶解理和準(zhǔn)解理斷裂形態(tài)。根據(jù)河流狀花樣的形貌也可以看出，斷裂起源于軸齒變截面臺階根腳線表面處，該區(qū)磨損嚴(yán)重，但從局部仍可以看到清晰的斷口特征，為穿晶準(zhǔn)解理斷口，未見原始裂紋、沿晶斷口、異常夾雜物等缺陷及疲勞斷口特征。擴(kuò)展區(qū)均為穿晶解理和準(zhǔn)解理脆性斷口。微觀斷口分析表明，齒輪軸微觀斷口穿晶解理和準(zhǔn)解理脆性斷口，屬于一次性快速脆性斷口。擴(kuò)展區(qū)為穿晶解理斷口100OX圖2齒

8、輪軸微觀斷口分析Fig2Micro-fractureofthegearshaft2.5 斷裂齒輪軸組織分析2.5.1 低倍組織斷口附近截取并制備橫截面低倍試樣，觀察的低倍組織形貌如圖3所示，參考GB/T1979-01對低倍組織缺陷進(jìn)行評級，齒輪軸中心疏松1.5級，有輕微枝晶偏析，未見明顯的錠型偏析或點(diǎn)狀偏析，也未見裂紋、殘余縮孔等其他低倍組織缺陷。圖3齒輪軸低倍組織分析Fig3Lowmagnificationofthegearshaft2.5.2 金相組織及顯微維氏硬度在與斷裂面相對稱一側(cè)同等位置制取縱截面金相試樣，觀察滲碳層形貌并進(jìn)行顯微維氏硬度測試（自表面向深部方向測試），滲碳層形貌及顯微

9、維氏硬度-深度曲線（如圖5）所示,看出：軸齒變截面接近90度根腳線無明顯的R圓角，存在較大的應(yīng)力集中（見圖4）。根據(jù)滲碳層形貌及顯微維氏硬度測試曲線（見圖5）看出，滲碳硬化層厚度約0.9mm,符合設(shè)計(jì)要求。圖4變截面臺階處的形狀和滲碳區(qū)（與軸斷裂區(qū)形狀尺寸堆成的部位）Fig4Variablecross-sectionshapeandcarburizationstepedgesDistrict圖5滲碳層形貌與顯微維氏硬度-深度曲線Fig5Morphologyandmicrostructureofcarburizedlayerhardness-depthcurve試樣表面滲碳層、中部及心部區(qū)域的微

10、觀組織形貌如圖6、7、8所示，滲碳層為低溫回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體；1/2半徑處為回火貝氏體組織；心部為回火貝氏體+塊狀鐵素體組織。各區(qū)域的顯微維氏硬度測試結(jié)果見表3,如果根據(jù)GB/T1172由HV測試結(jié)果估算洛氏硬度則心部組織的洛氏硬度大約為29-31HRC,低于設(shè)計(jì)要求值。毛圖6邊部組織300XFig6Edgeorganizations圖71/2半徑處組織300XFig71/2radiusorganization圖8心部組織750XFig8Departmentofhearttissue表3顯微維氏硬度測試結(jié)果(HV0.2)Table3MicroVickershardnesstestr

11、esults(HV0.2)表層中部心部1231231237246856663283213152772932783斷軸結(jié)論3.1 齒輪軸的化學(xué)成分符合GB/T5216-2004鋼規(guī)范要求，材料低倍組織基本正常。3.2 齒輪軸滲碳層厚度和滲碳層硬度符合設(shè)計(jì)要求，但是心部組織為回火貝氏體+塊狀鐵素體，組織硬度低于設(shè)計(jì)要求，材料熱處理后強(qiáng)度偏低。3.3 齒輪軸是在較大的扭曲應(yīng)力為主的應(yīng)力作用下在邊界面臺階直角根腳線表面應(yīng)力集中處其形成的一次性快速脆性斷裂。3.4 熱處理后基體強(qiáng)度偏低和相對于承載能力而言工作應(yīng)力較大是導(dǎo)致齒輪軸發(fā)生快速脆性斷裂的主要原因。4改進(jìn)措施及改進(jìn)后效果齒輪軸加工工藝使用多年，較

12、為成熟，沒有問題。對此次使用的淬火液進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)淬火液存在碳化現(xiàn)象，已明顯老化(屬超期使用)，冷卻能力明顯不足。更換冷卻液后小批量投入生產(chǎn)，隨即取兩根齒輪軸進(jìn)行性能檢驗(yàn)見表4表4力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與20CrMnTi參考值對照表Tab4Mechanicalperformancetestresultsandreferencetables20CrMnTi抗拉強(qiáng)度RM(MPa規(guī)定費(fèi)比例延伸強(qiáng)度Rp0.2(MPa斷后伸長率A(%斷后面縮率Z(衿四軸表層120088510.546心部115384510.950GB/T3077參考值>1080>835>10>45由表4知，材料心部屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率均滿足GB/T3077對20CrMnTi鋼淬火和低溫回火后的力學(xué)性能要求，可看出更換淬火液