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20CrMoA齿轮开裂原因分析

摘要：本文通过对20CrMoA开裂齿轮的化学成份、断口、硬度、金相组织进行检验和分析研究，指出20CrMoA齿轮开裂的原因是渗碳工艺出现高碳势过热异常造成的。

关键词：开裂；渗碳；硬化层

某公司生产的20CrMoA圆钢供苏南某厂生产齿轮，在装配时发现部分开裂。该齿轮一般经过下料→退火→冷挤→机械加工→渗碳→磨加工等工序，为了找出其开裂女鞋的原因，笔者对齿轮的化学成份、硬度、脱碳和金相组织等进行了检验和分析。

1 检验结果

1.1 断口形貌

该齿轮的裂纹沿轴向分布，源于齿轮的底部并贯穿其全部(见图1)。经剖开后，断口的近表面呈亮瓷色，内部呈暗灰色。

图1开裂用于低精度齿轮宏观形貌

经过扫描电雷州镜分析，断口近表面的形貌为冰糖状断口，[见图2(a)]，均发生在齿轮底部(即横截面上最薄弱的部位)，是典型的脆性沿晶断裂特征。内部断口的形貌为韧窝，[见图2(b)]，是塑性断裂。其间有少量条状夹杂物，其X射线能谱分析结果为MnS夹杂。

(a) 近表面层；(b) 内部

图2 断口形貌

1.2 化学成分

开裂齿轮的化学成分(质量分数，%)见表1，符合GB/T3077中20CrMoA钢的标准。

1.3 金相检验

在齿轮上截取相关部位的金相样品，对其进行金相组织分析，其组织见图3。

组织分为边缘区、过渡区和中心区[图3(a)]。边缘区的表层组织为块状碳化物及少量状碳化物[图3(b)]；过渡区的组织为马氏体、残余奥氏体、少量块状碳化物及沿晶界的索氏体(黑状)[图3(c)]；中心区的组织为低碳板条状马氏体[图3(d)]。次表层组织为粗针状马氏体和残余奥氏体、少量块状碳化物[图3(e)]；其渗碳层为0181mm。

(a) 组织的分区； (b) 边缘区； (c) 过渡区； (d) 中心区； (e) 表层组织

图3 开裂齿轮的金相组织

由夹杂物的评定结果可知，样品中非金属夹杂物级别并不高，为1.5～2.0级(见图4)。

图4 非金属夹杂物

1.4 硬度检测

制约国内石墨烯产业发展的最重要因素就是石墨烯生产本钱居高不下由测试得知:渗碳层深度为0181mm，表面硬度为HRC61，符合设计要求(HRC56～64)。硬化层深度检测结果见表2。应以国家检测中心的检测要求和内容项目为准

由表可知，齿轮的硬化层深度约为0175mm，而齿轮的轴套的壁厚约为215mm，轴套内外壁硬化层的深度之和已达115mm，因此，实际心部非硬化的韧性区仅为1mm左右。

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2 分析与讨论

齿轮边缘区的表层组织为块状碳化物及少量状碳化物，它是由于材料含碳量过高及渗碳温度过高引起的；淬火时温度太低，渗碳预冷后，使碳化物沿奥氏体晶界析出，在重新加热时没有消除；此外，渗碳后冷却太慢也易形成状碳化物。渗碳层出现状或大块状碳化物，破坏了表层组织的连续性，在碳化物和基体组织的交界处，容易产生疲劳裂纹。次表层组织为粗针状马氏体和残余奥氏体及少量块状碳化物。在正常情况下，渗碳层应为回火马氏体、均匀分布的颗粒状碳化物和少量的残余奥氏体。马氏体粗大同渗碳温度过高有关。渗碳过程中奥氏体粗化，直接淬火后马氏体必然粗化。若渗碳件淬火温度过高有关也容易出现粗大马氏体。中心区域组织为低碳板条马氏体，其板条马氏体较粗大，这是由于心部区域淬火温度较高及冷却过程中的冷却速度相对较低而形成的。

渗碳层出现状或大块状碳化物，破坏了表层组织的连续性，在碳化物和基本组织的交界处，容易产生疲劳裂纹。

硬化层过厚与渗碳温度过高和保温时间过长等因素有关。

3 结 论

由收音机于齿轮基体的化学成份和夹杂物等级符合标准要求，说明材质状况良好。20CrMoA钢齿轮开裂是因为渗碳淬火温度过高及冷却介质温度偏低造成的。应合理地控制炉内碳势，保证足够的扩散时间和适当的淬火温度，严格控制好保温时间和冷却的温度。(end)

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