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專業,行星齒輪熱處理后開裂失效分析
時間:2019-05-06  點擊:225次   來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

應用于行星齒輪減速機的38件行星齒輪,其鋼材18Cr2Ni4WA由A公司和B公司兩個單位供貨。這38件相同材料的行星齒輪經同爐熱處理后,發現A公司供料的8件未見裂紋,而B公司供料的30件均有裂紋。

 
行星齒輪材質為18Cr2Ni4WA鋼,熱處理工藝為:滲碳930℃×1.1%C+930℃×0.85%C+840℃×0.68%C后爐冷至780℃出爐空冷,然后650℃兩次高溫回火,二次加熱840℃×0.68%保溫4h后淬火,油淬(油溫65℃)+深冷處理+回火工藝180℃保溫6h。
 
出現的問題是:由A公司和B公司供應相同牌號的齒輪材料18Cr2Ni4W鋼,在同爐中進行正火和高溫回火以及后面相同工藝的滲碳、淬火后,出現了完全不同的結果——A公司材料的8件未見裂紋,B公司材料的30件均有裂紋。其原因是什么?這是目前我們最關心的問題。
 
通過宏觀觀察、微觀觀察、金相檢查、硬度測試以及能譜分析,我們確定了行星齒輪的開裂性質,并對其開裂原因進行了分析。
 
結果表明:行星齒輪開裂性質為熱處理內應力作用下產生的沿晶脆性開裂。A公司和B公司材料輪齒心部組織均為馬氏體,B公司材料馬氏體組織較粗大;B公司材料輪齒心部晶粒大小不均,且較A公司材料齒心部晶粒大;B公司材料齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。B公司材料輪齒開裂與組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高等因素有關。
 
1.試驗過程與結果
(1)宏觀觀察
行星齒輪開裂宏觀形貌如圖1、圖2所示??鹽恢鎂揮誄蕕牧礁齠嗣娓澆?。裂紋熒光檢測顯示如圖3所示,裂紋靠近齒輪兩端,呈八字形貌。裂紋宏觀形貌如圖4所示:端面上裂紋沒有擴展到齒面層(見圖4a),心部裂紋的張口最寬;齒面上的裂紋沒有擴展到端面和齒頂(見圖4b)。
 
 
圖1  齒輪全貌、輪齒掉角
圖2  齒輪掉皮、掉角
 
圖3  熒光檢測的裂紋
 
(a)端面上裂紋                                (b)齒面上的裂紋
圖4  輪齒端面和齒面上的裂紋
裂紋斷口宏觀形貌如圖5所示,各斷口均呈一定金屬光澤,斷口尺寸較大的輪齒斷口(稱之為輪齒斷口1),心部有一區域可見光亮的金屬刻面(見圖5a),斷口較小的輪齒斷口(稱之為輪齒斷口2)心部區域未見明顯的金屬刻面區(見圖5b)。
 
(a)輪齒斷口1                             (b)輪齒斷口2
圖5  輪齒斷口1和斷口2的形貌
(2)微觀觀察
將裂紋斷口超聲波清洗后進行微觀觀察。輪齒斷口1的微觀形貌如圖6和圖7所示,裂紋斷口心部形貌具有沿晶斷裂特征。斷口心部金屬刻面區微觀形貌呈沿晶斷裂特征,且晶粒較粗大,靠近心部區域呈沿晶+準解理特征,且隨著向邊緣靠近,準解理特征所占比重逐漸增加,滲碳層呈準解理特征。
 
(a)16×                                    (b) 200×
圖6   輪齒斷口1的微觀形貌
(a)500×                                      (b)500×
圖7  輪齒斷口1滲碳層微觀形貌
輪齒斷口2的斷口微觀形貌與輪齒斷口1相似,斷口心部很小的區域呈沿晶斷裂特征,且晶粒較粗大,心部其他區域呈沿晶+準解理特征,滲碳層呈準解理特征。
 
人工打斷B公司和A公司材料的輪齒,斷口均呈等軸韌窩特征,如圖8、圖9所示。
圖8  B公司料斷口(500×)
圖9  A公司料斷口(500×)
對輪齒斷口1的裂紋斷口進行能譜分析,結果如表1所示。裂紋斷口未見明顯異常元素。
表1  能譜分析結果(質量分數)            (%)
(3)金相檢查
金相檢查取樣:分別在B公司和A公司材料齒輪上從齒頂中心位置截取徑向截面試樣,磨、拋、腐蝕后進行金相組織檢查。B公司和A公司材料輪齒的心部組織均為馬氏體(見圖10、圖11),前者組織較粗大。
圖10  B公司材料的心部組織 
圖11  A公司材料的心部組織  
A公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物呈網狀分布(見圖12),B公司材料輪齒邊緣滲碳層碳化物網狀分布不明顯(見圖13)。
圖12  A公司材料滲碳層金相組織
 圖13  B公司材料滲碳層金相組織   
輪齒斷口1的裂紋斷口沿晶開裂區附近為馬氏體組織,如圖14所示。B公司材料和A公司材料輪齒心部晶粒形貌如圖15和圖16所示。B公司材料輪齒心部晶粒大小不均勻,且晶粒明顯較A公司材料輪齒心部晶粒粗大。
圖14    斷口沿晶開裂區附近金相組織  
圖15   B公司材料齒心部晶粒形貌
 圖16   A公司材料齒心部晶粒形貌
(4)硬度測量  分別從A公司材料和B公司材料齒輪上截取垂直于齒輪軸向的橫截面試樣,磨、拋后對齒心部進行顯微硬度測試,結果如表2所示。B公司材料輪齒心部顯微硬度平均值約為465.76HV,高于A公司材料齒心部顯微硬度(427.90HV)。B公司材料輪齒心部顯微硬度轉換成洛氏硬度約為46.5HRC,A公司材料齒心部顯微硬度轉換成洛氏硬度約為44HRC,技術要求36~44HRC。
表2  齒輪齒心部顯微硬度測試結果 (HV)
采用硬度梯度方法對滲碳層深度進行測量,滲層深度以550HV處深度為準,結果如表3所示。A公司材料齒面滲碳層深度為2.148mm,B公司材料齒面滲碳層深度為2.282mm,均符合2.0~2.4mm的技術要求。B公司材料齒面滲碳層硬度和深度均大于A公司材料。
 

表3 齒輪齒面滲層硬度梯度  (HV)

序號

距離表面/mm

B公司材料

A公司材料

1

0.8

667.15

657.56

2

1.2

636.02

648.19

3

1.6

609.79

598.66

4

2.0

567.04

564.54

5

2.1

559.53

554.61

6

2.2

552.16

544.96

7

2.3

549.73

535.55


 
2.分析與討論
(1)宏觀觀察顯示,齒端面上裂紋沒有擴展到兩側齒面,齒面上裂紋沒有擴展到端面和齒頂,橫截面上裂紋心部張口最寬,裂紋斷口均未見明顯擴展臺階。由此可判斷,齒輪從輪齒心部首先開裂。
 
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(2)微觀觀察顯示,齒輪裂紋斷口的心部,局部呈現沿晶開裂特征,心部其他區域呈現沿晶+準解理開裂特征。由此可判斷行星齒輪開裂性質為沿晶脆性開裂。
 
(3)裂紋從心部開裂,裂紋斷口心部呈沿晶特征,以及沿晶+準解理特征,而輪齒心部人工打開斷口呈現韌窩特征。由此可判斷,裂紋在高溫內應力作用下形成。裂紋斷口均呈一定的金屬光澤,未見明顯氧化。
 
(4)淬火過程中,滲碳層和基體由于溫差和組織的差異,變形不一致而產生內應力。熱處理產生的內應力都比較復雜。輪齒開裂的部位,均位于輪齒端面附近4個滲碳層交匯的基體及過渡層處,此區域正好具有較高的內應力。結合熱處理工藝可判斷,裂紋很有可能產生于第二次滲碳后的油淬工藝過程中。
 
(5)金相檢查顯示,B公司材料和A公司材料齒心部組織均為馬氏體。與A公司材料相比,B公司材料馬氏體組織較粗大,輪齒心部晶粒大小不均。
 
(6)硬度測試顯示,B公司材料輪齒心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。組織和晶粒粗大、晶粒大小不均勻以及硬度較高,均會促進淬火過程中裂紋的萌生。
 
(7)A公司材料和B公司材料齒輪,經過同爐和相同的熱處理工藝過程,但出現完全不同的結果:A公司材料齒輪完好,而B公司材料掉皮、掉角。由此可判斷,B公司和A公司的原材料應該存在一定差異。
 
3.結語與建議
綜上所述,可得到以下結論:
(1)根據斷口的宏觀觀察和微觀觀察結果得知,行星齒輪開裂性質為熱處理內應力作用下產生的沿晶脆性開裂。
 
(2)B公司材料馬氏體組織較粗大,心部晶粒大小不均,且較A公司材料晶粒大,輪齒的心部硬度和齒面滲碳層硬度均較A公司材料高。由此可以判斷,B公司材料輪齒開裂與馬氏體組織粗大、晶粒大且大小不均勻、以及硬度較高等因素有關。
 
(3)行星齒輪材質為高強度中合金滲碳鋼18Cr2Ni4WA。這是一種強度高,韌性、淬透性良好,缺口敏感性低的制造齒輪的高檔材料,但是工藝性能較差,它對原材料的化學成分、晶粒度等的一致性要求較高,否則就會影響熱處理工藝的合理安排。
 
 
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