分享：20Cr13钢主动齿轮断裂原因

摘 要:某主动齿轮根部在紧固过程中发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、金 相检验、扫描电镜分析等方法对主动齿轮断裂的原因进行了分析。结果表明:原材料存在过烧组 织,导致部分晶界融化重熔,重熔区域存在Cr元素偏聚;晶界因过热析出大量铁素体,组织过烧和 过热会使晶界结合力丧失,降低其塑性,最终导致主动齿轮发生断裂。 

关键词:主动齿轮;断裂;过热;过烧;元素偏聚;铁素体

中图分类号:TB31;TG115.2                          文献标志码:B                                    文章编号:1001-4012(2023)07-0055-03

某主动齿轮的齿轮扇根部穿过一根六角型钢, 通过下方螺栓紧固的方式将两者夹紧。某公司一批 主动齿轮经硬度验收合格后入库,在后续装配过程 中,拧紧螺栓时,齿轮扇根部发生断裂,此时尚未使 用扭力扳手,因此其断裂强度非常低。按照图纸标 注,该批主动齿轮的材料为20Cr13钢,经调质处理 后,其硬度为20~30HRC。笔者对该主动齿轮进 行了一系列理化检验,分析其断裂原因,以避免该类 问题再次发生。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

断裂主动齿轮的宏观形貌如图1所示,可见断 裂位置位于结构最薄弱处。图2为断口宏观形貌, 可见断口为瓷状断口,呈灰色,无金属光泽,无明显 裂纹源。结合螺纹孔进度方向,判断断裂的起始位 置为图1所示的六边形外侧。

1.2 化学成分分析 

依据GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌 号及化学成分》,采用真空直读光谱仪对断裂主动齿 轮进行化学成分分析,结果如表1所示,可见该主动齿轮的化学成分符合GB/T20878—2007的要求。 

1.3 硬度测试 

在主动齿轮的断裂处取样,对试样进行硬度测 试,发现试样的硬度为21~26HRC,硬度测试结果 波动较大,但均满足技术要求。 

1.4 金相检验 

在断裂主动齿轮断口附近取样,对试样进行抛 光,然后用氯化铁盐酸水溶液对其进行腐蚀,在光学 显微镜下进行观察,结果如图3所示。由图3可知: 试样的组织主要为铁素体基体上分布着粒状渗碳 体,即球化珠光体,沿晶界附近有大量析出物呈灰 色;在珠光体外,部分晶界处分布着黑色带状组织, 其中夹杂着白色块状组织。

将金相试样在体积分数为10%的硫酸硝酸溶 液中腐蚀30s,并用清水洗涤,再用脱脂棉擦拭, 重复3次,进行轻微的抛光后置于光学显微镜下 观察,结果如图4所示。由图4可知:整个试样表 面呈灰色,上面密集分布着黑色斑点,其中黑色斑 点为腐蚀孔洞,附近基体上的晶界呈白色,并呈断 续状分布,可证实是组织过烧的特征;灰色基体上的晶界呈黑色,为组织过热的特征[1]。 

1.5 扫描电镜分析

采用扫描电镜(SEM)对断口进行观察,结果如 图5所示。由图5可知:从断裂起始位置到断裂终 止位置,断口的微观形貌无明显区别,均呈冰糖颗粒 形状,属于沿晶断裂,但表面不光滑,中间穿插部分 穿晶断裂,无疲劳辉纹等痕迹,属于脆性断裂;发现 有沿晶界分布的带状组织,呈解理断裂特征。 

为进一步明确组织中发现的黑色带状组织和晶界 析出物,将金相试样置于SEM下进行观察,结果如图6 所示。由图6可知:沿基体组织晶界析出的是δ铁素体,为组织过热的特征[2];黑色带状组织为凹坑缺陷, 并沿晶界深入基体,为组织晶界过烧重熔的特征[2];凹 坑中的白色块状组织为球形颗粒状组织。

为进一步分析晶界凹坑附近的组织,对金相试 样进行面扫描,结果如图7所示。由图7可知:晶界 析出的铁素体和凹坑内的颗粒状组织都有明显的 Cr元素偏聚痕迹,说明凹坑内的颗粒为析出铁素体 重熔后的组织。

2 综合分析 

由上述理化检验结果可知:主动齿轮存在过热 和过烧组织,基体中主要为过热组织,过烧组织在基 体中呈点状分布。晶界析出铁素体是过热的特征,δ 铁素体是硬脆相,会降低材料强度;晶界上有凹坑, 凹坑内的铁素体呈不规则球状,是过烧的特征。过 烧会导致晶界发生融化并形成凹坑,重熔结晶产生 铁素体;过烧会导致晶界结合力丧失,使其发生沿晶 断裂,在晶界上的δ铁素体带发生解理断裂。过热 导致Cr元素在晶界偏聚,晶粒内Cr元素含量不足, 材料的耐腐蚀性下降。正常情况下,20Cr13钢调质 后的组织应为索氏体[3],但是该主动齿轮的组织为 球化 珠 光 体,为 退 火 组 织,强 度 低 于 索 氏 体。 20Cr13钢淬透性很强,空冷即可得到马氏体[4],退 火的冷却速率较快时,硬度能达到20HRC以上。 如果回火温度过高(约750℃),可能形成球化珠光 体[5],硬度也能控制在20HRC以上。目前难以区 分零件中球化珠光体是退火形成还是回火温度高导 致,但未能形成索氏体,说明其热处理工艺控制不 当,组织不良。

3 结论与建议 

主动齿轮中存在过热和过烧组织,导致基体强 度降低,过烧会使晶界结合力丧失,严重降低其塑 性,且组织不良,在较小作用力下齿轮就会发生断 裂。过烧无法通过热处理解决,只能进行报废处理。 金相检验具有破坏性,企业通常采用硬度测试 作为验收标准,但热处理属于特殊工序,硬度测试时 存在极大的局限性,因此仍需要采用过程参数控制 的方式来控制热处理工艺。 

参考文献: 

[1] 张菊水.钢的过热与过烧[M].上海:上海科学技术出 版社,1984. 

[2] 王忠诚.热处理常见缺陷分析与对策[M].北京:化学 工业出版社,2008. 

[3] 韩克甲,曹颖,赵晓辉.法兰密封螺栓断裂失效分析 [J].理化检验(物理分册),2017,53(10):768-770. 

[4] 李炯辉.金属材料金相图谱[M].北京:机械工业出版 社,2006. 

[5] 张平.热处理工艺对 Cr13型不锈钢组织和性能的影 响[D].重庆:重庆大学,2005. 

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 7期 (pp:55-57)>