作者：陈亮，吴刚，谭小明等

单位：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

18CrNiMo7-6钢常用来制造大型从动齿轮，渗碳淬火后，齿面具有优良的耐磨性能，心部具有很好的弯曲疲劳强度和抗冲击性能。某公司生产的大型盘类从动齿轮，加工工艺为：锻造→粗车→正火→半精车→滚齿→渗碳、高回→减轻孔加工→淬、回火→精车→钻油孔→磨齿→磁粉探伤→喷丸→清洗；在清洗后发现三件产品内孔环油槽部位出现环状裂纹，因此对该齿轮油槽的开裂原因进行调查分析。

一、检测方法

首先对齿轮进行宏观形貌分析，然后对齿轮油槽开裂部位线切割取样，清洗后，置入扫描电镜中进行显微形貌分析和能谱分析；然后在齿轮内孔油槽处和壁厚中心取样，在电感耦合等离子体发射光谱仪上进行化学成分分析。最后在裂纹源部位切取样品，经打磨、抛光等金相制样后，用显微硬度计对渗层进行硬化层深度检测，在金相显微镜上检查其金相组织、非金属夹杂物等。

二、试样检测

1.宏观形貌检查

该从动齿轮断口宏观形貌如图1所示，由图可知：

（1）开裂发生于环油槽处，且分布于整个油槽环向。

（2）整个断口呈一次性断裂特征，断面无氧化、腐蚀迹象。

（3）根据裂纹收敛方向可知：断面上近内孔侧油槽两侧浅表层存在两处裂纹源（见图1b中红色箭头），并将其分别编号为A、B。

（a）

2.微观形貌检查

将A、B裂纹源清洗后放入扫描电镜观察其微观形貌并进行能谱分析，结果显示：

（1）裂纹源A远离油孔，位于浅表层1.5mm处，裂纹源处聚集分布着粗颗块状MnS夹杂物，裂纹自该处向周围扩展，如图2、图3所示。

（a）

（b）

图2  裂纹源A微观形貌

（2）裂纹源B距离油孔约3mm位于浅表层4mm处，该区域同样聚集分布着大量粗颗粒状MnS夹杂物，裂纹自该处向周围扩展，如图4、图5所示。

对裂纹源B和其附近的扩展区进行半定量元素能谱分析，结果发现：裂纹源B处S、Mn含量约为附近扩展区的两倍，其余元素相当，再次证明裂纹源处存在较为严重的MnS夹杂物偏聚现象，具体如图6、表1、图7、表2所示。

表1   裂纹源B区光谱分析结果

表2  裂纹源B附近扩展区光谱分析结果

3.低倍组织检查

结合该从动齿轮生产工艺和微观形貌中MnS的分布形态，对内孔边缘进行低倍检查，结果显示：距离内孔边缘约15mm范围内存在明显的枝晶偏析，说明该处锻造比不足，见图8。此外，内孔油槽边缘无明显的硬度降，说明内孔油槽边缘无有效硬化层，见图9，这跟渗碳淬火时内孔进行防渗相符。

4.金相检查

解剖1个齿块进行金相检查，节圆、齿根的金相组织、渗碳有效硬化层深、表面硬度都符合技术要求，在裂纹源处取样进行金相检查，两裂纹源处金相组织为马氏体+贝氏体，断口边缘未见氧化、脱碳、网状碳化物等热处理缺陷，结合齿轮生产工艺可判断其为淬火裂纹，如图10所示。值得注意的是，远离裂纹源处非金属夹杂物级别为A0.5e、D0.5洁净度较好。

（a）裂纹源A金相（100×）

（b）裂纹源B金相（100×）

图  10

5.化学成分检查

鉴于裂纹源（大颗粒MnS的聚集位置）的分布位置主要集中于内孔油槽边缘，特对非裂纹源部位的内孔表面和壁厚中心取样进行化学成分定量分析，结果见表3，四处化学成分相当，各元素含量正常，说明MnS的偏聚现象仅存在于内孔边缘个别部位，而非整个环向。

表3    齿轮化学成分（质量分数）  （%）

三、内孔油槽开裂原因分析

解剖了3个失效齿轮进行分析，3个解剖分析结果完全一致。从裂纹外观来看，整个断口呈一次性断裂特征，断面无氧化、脱碳等热处理现象，说明热处理前此裂纹不存在；查该批齿轮的渗碳淬火装炉记录，发现3个开裂的齿轮分属于不同的渗碳淬火炉次，且该齿轮的热处理工艺是成熟工艺，之前使用过该工艺渗碳淬火，未发生内孔开裂现象，从解剖的齿块检测结果可以看出，有效硬化层深、金相组织、表面硬度、心部硬度等指标都是合格的，所以可以排除热处理工艺是开裂的主要原因。

查该产品的锻造工艺，发现该齿轮在锻造过程中，由于设备限制的原因，未使用冲孔工序，而是先锻造出一个浅的盲孔，然后通过车削的方式加工出内孔。这样做的弊端是造成内孔锻造比不足，存在枝晶偏析现象（见图8），未能改善内孔处原材料的组织与性能，因为钢锭中心部位本身容易产生偏析和夹杂物聚集，未冲孔和扩孔可能造成夹杂物无法被揉开打散，内孔边缘部位的锻造比也会比较低，从而造成内孔部位成为一个薄弱部位。在图2～图7中可以看出，内孔油槽裂纹源处的MnS夹杂物电镜形貌呈聚集状态，且单颗粒的宽度超过30μm以上，这个已经远超GB/T 10561标准中A类夹杂物的宽度范围。正是存在大颗粒聚集的硫化物影响了基体的连续性，导致在远低于材料本身强度的应力条件下出现裂纹。该批3个失效齿轮使用的是同一个母炉号的原材料，该炉原材料在某些位置存在大颗粒MnS夹杂物偏聚，由于未冲孔和扩孔，在锻造时偏聚在内孔油槽附近的MnS夹杂物未能被有效的去除或打散，同时由于油槽位置结构敏感，容易形成应力集中，使油槽位置成为最弱的“一环”。

齿轮在渗碳淬火过程中，存在热胀冷缩，首先会产生热应力；另外，由于表层和心部碳含量有差异，马氏体转变温度点Ms不一样，发生马氏体转变的程度和顺序都不一样，这样就会产生组织应力。

热处理产生的多种应力在薄弱处耦合，然后进行应力释放，首先会出现微裂纹，裂纹会慢慢变大，当裂纹长度大于极限长度时，裂纹将迅速扩展失稳，最终导致齿轮断裂失效。在本文中，内孔油槽处由于锻造比不足，存在枝晶偏析，而且存在大颗粒的MnS夹杂物偏聚，导致最后热处理应力、加工应力等在油槽夹杂物偏聚部位进行释放，最后扩展形成环形裂纹。

经以上分析可见，齿轮油槽开裂的主要原因集中于：

（1）齿轮内孔边缘锻造比不足，存在枝晶偏析，同时内孔油槽附近存在大颗粒MnS夹杂物偏聚现象，使内孔油槽处成为薄弱部位，这是内孔油槽开裂的主要原因。

（2）齿轮渗碳淬火时产生热应力和组织应力，当两种应力耦合，会在薄弱部位进行释放，导致内孔油槽内侧出现裂纹。

（3）加工油槽和油孔时会产生加工应力，应力慢慢释放，使裂纹加速向油槽扩展，导致最后出现环形裂纹。

四、结论和建议

基于以上分析，得到以下结论和建议：

（1）整个开裂断口呈一次性断裂特征，断面无氧化、腐蚀迹象，齿轮油槽浅表层存在两处裂纹源，裂纹源处存在大颗粒的MnS夹杂物偏聚现象，且齿轮内孔边缘锻造比不足，存在枝晶偏析现象。

（2）齿轮渗碳淬火时产生热应力和组织应力，当两种应力耦合时，会在内孔油槽薄弱部位进行释放，导致内孔油槽内侧出现裂纹，加工油槽和油孔时会产生加工应力，应力慢慢释放，使内侧裂纹加速向油槽扩展，导致出现环形裂纹。

（3）为避免此项问题的再次发生，建议增加非金属夹杂物的检测频次及对非金属夹杂物的长度、宽度、数量等进行严格控制；同时要求在该系列从动齿轮锻造时必须冲孔和扩孔，且内孔锻造比不应小于4。