常见的20CrMoH钢具有高硬度、高耐磨性、淬透性好、韧性适中等特点，且其组织晶粒较细，无回火脆性。20CrMoH钢工业化生产制备工艺为：转炉→精炼+真空脱气处理→连铸(电磁搅拌)→入坑缓冷→轧制→入坑缓冷→入库。客户购买后的使用工艺为，下料→锻造→ 粗加工→ 渗碳→ 调质处理→精加工→成型。某单位在购进一批20CrMoH钢齿轮后，在对其进行精加工过程中发现齿轮根部存在裂纹。研究人员采用一系列理化检验方法对齿轮开裂的原因进行分析，并提出了改进措施，以避免该类问题再次发生。
1、理化检验
1.1 宏观观察
开裂齿轮的宏观形貌如图1所示。由 图1可知：裂纹靠近齿轮端部，垂直于轴向，裂纹横穿齿面并延伸至齿根位置；裂纹宽度为1~2mm，裂纹贯穿整个齿部，在主裂纹附近及较远的区域可见独立微裂纹。
1.2 化学成分分析
开裂齿轮的化学成分分析结果如表1所示。由表1可知：该齿轮的化学成分满足标准及内控要求。
1.3 金相检验
沿裂纹横向取样,对试样进行粗磨、精磨、抛光、腐蚀等处理后，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：基体组织为板条马氏体，裂纹两侧区域组织比基体组织颜色浅；位置1处的组织为针状马氏体，为高碳钢淬火组织，该组织与齿轮表面渗碳后形成的针状马氏体相同；裂纹两侧除高碳马氏体之外，在最靠近裂纹处还存在颜色最深的组织(位置2)，为非马氏体组织。说明渗碳过程中，裂纹已经暴露在富碳环境中，从而发生了表面渗碳现象。在渗碳后、淬火前，裂纹处又经过了长时间的保温，发生了脱碳现象，其淬透性比脱碳区域低，最终形成了非马氏体组织。
1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析
将裂纹处打断，在断口处截取试样，利用扫描电镜对试样进行分析，结果如图3所示。由图3可知：断口处开裂较为严重，试样表面裂纹处破碎程度较严重，主裂纹两侧呈沿晶开裂的典型特征；基体内的主裂纹未见沿晶开裂形貌，但是其两侧裂纹的沿晶走向明显。
裂纹附近组织SEM形貌及能谱分析结果如图4所示。由图4可知：裂纹附近组织晶粒的晶界上存在点状、短棒状等形态的异物，该异物为硫化锰夹杂物。
将裂纹处进行冲断，断口处的SEM形貌如图5所示。由图5可知：断口表面氧化较为严重，断口形貌以沿晶断裂为主，可见大部分区域呈珊瑚状；可见沟壑嵌于基体中，内有呈枝晶状的异物。
用扫描电镜及能谱仪对异物进行分析，结果如图6所示。由图6可知：异物为硫化锰夹杂物，且枝晶状的硫化锰夹杂物沿晶界分布。
2、综合分析
将低碳钢中硫化锰夹杂物的形貌分为3类：Ⅰ类硫化锰呈偏晶、球状；Ⅱ类硫化锰呈共晶、枝晶状；Ⅲ类硫化锰呈不规则共晶、多面体状。Ⅰ类硫化锰由亚稳态偏晶反应形成，Ⅱ类硫化锰由稳定的共晶反应生成，Ⅲ类硫化锰由非稳态共晶反应生成。Ⅱ类硫化锰大多产生于枝晶间。
硫化锰的形态一般与氧、硫元素含量以及冷却速率有关。Ⅰ类、Ⅲ类硫化锰是在相对缓慢的冷却速率下生成的，Ⅱ类硫化锰的生成则需要较快的冷却速率，冷却速率越快，Ⅱ类硫化锰生成的越多。当氧元素含量(质量分数，下同)大于0.012%时，会形成Ⅰ类硫化锰，该类硫化锰一般呈无规则分布，存在于晶界和晶内处；当氧元素含量为0.008% ~0.012%时，会形成Ⅱ类枝晶状硫化锰，一般分布在低铝脱氧钢的晶界上；当氧元素含量小于0.008%时，会形成Ⅲ类硫化锰，该类硫化锰呈无规则分布，形态类似氮化钛；当氧元素含量为0.01% ~0.02%时，会同时生成Ⅰ类及Ⅱ类硫化锰。影响硫化锰夹杂物形态的另一重要因素为硫元素含量，当硫元素含量为0.01%~0.04%时，会形成Ⅰ类硫化锰；当硫元素含量大于0.05%时，会形成Ⅱ类硫化锰，并且Ⅱ类硫化锰含量随着硫元素含量的增加而增加。
开裂齿轮中的硫化锰夹杂物属于Ⅱ类硫化锰，这种枝晶状硫化锰夹杂物多形成于连铸过程中的第二脆性区(温度为900~1200℃)。硫化锰夹杂分布在晶界之间，其膨胀系数与基体存在较大差异，冷却时由于两者收缩量不同，在晶界处形成内应力，弱化了晶界，破坏了钢基体的连续性。无论在后续加工还是热处理过程中，都会成为微裂纹与应力集中的聚集区域，造成基体沿晶开裂。
开裂齿轮经过了轧制、锻打、渗碳、调质等工艺，裂纹两侧发生了明显渗碳现象，说明在锻打过程中裂纹就已经形成并与外界相通。在淬火过程中，冷却速率较快，较大的淬火应力使得内部缺陷再次快速扩展并暴露于表面，最终导致齿轮产生裂纹。
3、结论及建议
20CrMoH钢齿轮开裂的原因是：枝晶状的硫化锰非金属夹杂物沿晶界分布，从而弱化了晶界，破坏了基体的连续性,在后期轧制、锻打过程中，齿轮根部形成了微裂纹并不断扩展，最终导致齿轮发生开裂。
建议控制硫元素含量，避免生成枝晶状硫化锰，尽可能多地生成球状硫化锰，从而减少应力缺陷，消除各向异性，提高钢材性能。控制好脱硫工艺的各环节，提高脱硫率，以保证良好的脱硫效果。
作者：孙雪娇，路峰，杨旭，方金林，董丙成
单位：山东钢铁股份有限公司 莱芜分公司
来源：《理化检验-物理分册》2024年第1期
