我公司生產(chǎn)的一件直徑為500mm、齒寬為135mm，模數(shù)為14的齒輪，經(jīng)過滲碳淬火熱處理和磨齒加工后，在裝配試車過程中發(fā)生斷裂失效，為了找出齒輪失效的原因，我們從原材料、熱處理工藝、車削加工工藝、金相組織以及裂紋宏、微觀形態(tài)特征等方面進行了分析探討，確定了斷裂產(chǎn)生的原因和解決的辦法。一方面對原材料進行嚴格控制，并通過優(yōu)化熱處理工藝，對工件進行正火加回火預處理，細化晶粒，減小應力集中的可能性，以進一步提高材料的斷裂強度和斷裂韌性；另一方面對車削表面質(zhì)量進行控制，進行表面MT和PT檢測，以確保表面無車削裂紋存在。經(jīng)過一段時間的實踐，避免了斷裂事故的再次發(fā)生，大大增加了產(chǎn)品的可靠性，進一步提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
1.技術(shù)要求與失效描述
齒輪技術(shù)要求：材料為20CrMnMoH保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼，齒面須滲碳淬火，硬度要求58～62HRC，有效硬化層深為2.3～2.7mm，芯部硬度為32～45HRC。
齒輪制造的工藝流程為：鍛造→正火→粗車→UT探傷→車加工→鉆孔→滾齒→滲碳淬火→拋丸→內(nèi)磨→平磨→磨齒。
正火工藝為：900℃等溫2h，出爐空冷。
滲碳工藝為：760℃等溫2h，然后在930℃滲碳，滲碳后爐冷至830℃保溫2h。
淬、回火工藝為：650℃等溫2h，再加溫至840℃保溫6h油冷，200℃低溫回火5h。
具體失效過程描述：2012年2月16日，某鍛造公司供貨，鍛件爐號為12-8202，工件編號為12-8202-11，供方經(jīng)正火、粗車后探傷合格狀態(tài)交貨；2012年3月9日，外協(xié)車加工單位車加工完工，2012年3月19日經(jīng)本公司輪廓鉆孔、滾齒加工后，送熱處理車間滲碳淬火；2012年3月20日出爐；2012年4月2日內(nèi)磨、平磨、磨齒完工；2012年4月6日裝配試車，在試車過程中發(fā)生齒輪斷裂（見圖1）。
2.宏觀分析
齒輪裂紋的宏觀形態(tài)分布（見圖2、圖3），齒輪一側(cè)裂紋從節(jié)圓處開始貫穿整個徑向厚度方向（見圖2），另一側(cè)裂紋分別從齒根和內(nèi)孔處開始幾乎貫穿整個徑向厚度方向（見圖3）。
在圖示區(qū)域切取試樣進行檢驗（圖4～圖6）。
將試樣切開觀察。（圖7、8）。
將試樣放大后分析，觀察斷面發(fā)現(xiàn)整個斷面是經(jīng)多次次生裂紋發(fā)展后形成的，起始裂紋源為近表面節(jié)圓處。（圖9、圖10）。
3.齒輪材質(zhì)與熱處理質(zhì)量檢測
（1）齒輪材質(zhì)成分分析見表1。
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成分
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C
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Si
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Mn
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Cr
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Mo
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Cu
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P
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S
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B
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要求
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0.17～0.23
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0.17～0.37
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0.85～1.20
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1.05～1.40
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0.20～0.30
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≤0.25
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≤0.025
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≤0.025
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0.0005～0.0035
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實測
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0.179
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0.278
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0.958
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1.108
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0.224
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0.008
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0.007
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0.00
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0.00
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經(jīng)對齒輪進行本體取樣作光譜分析檢測，檢測結(jié)果按GB/T 5216—2004《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標準評判，結(jié)果顯示，各項化學成分指標均符合標準。
（2）齒輪硬度檢測，如表2所示，齒頂、齒根及齒輪芯部硬度均符合技術(shù)要求。
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項目
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齒頂表面
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齒根表面
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芯部
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標準值
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58～62
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58～62
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32～45
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實測值
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58
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58
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42
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離表面距離/μm
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200
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400
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800
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1200
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硬度值HV
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658.2
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637.6
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632.6
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630.1
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離表面距離/μm
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1600
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2000
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2380.7
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2400
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硬度值HV
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637.6
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599.0
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550.0
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547.5
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腐蝕后觀察，該試樣存在較嚴重的偏析現(xiàn)象（見圖13）。
心部組織為板條馬氏體，部分區(qū)域組織粗大，按JB/T 9211—2008《評為7級（見圖13）。
次表面組織為針狀馬氏體，部分區(qū)域組織粗大，按JB/T 9211—2008評為7級（見圖14）。
表面組織為針狀馬氏體，組織細小，按GB/T9211-2008評為4級，局部區(qū)域有殘留奧氏體（見圖15）。
（5）齒輪滲碳淬火前即正火狀態(tài)的金相組織分析。為進一步驗證齒輪原材料是否存在質(zhì)量問題，筆者根據(jù)鍛件供方提供的鍛件余留齒坯進行了取樣分析，并對正火狀態(tài)的齒輪試樣芯部組織進行金相組織分析（見圖17）。
從圖16正火狀態(tài)芯部金相組織圖可以看出，齒輪在經(jīng)正火處理后，芯部組織晶粒粗大，沒有達到正火細化晶粒的目的，而圖17則顯示，試材料存在局部偏析現(xiàn)象，在同一個晶粒內(nèi)部，存在多種組元，在初晶軸線上含高熔點的組元多，而在最后結(jié)晶的晶軸間含低熔點的組元多。
4.車削加工表面質(zhì)量查證
為進一步查證齒輪車削加工過程中可能存在質(zhì)量隱患或車削加工過程中可能存在不符合要求的操作等情況，筆者對本公司主要幾家車加工單位進行了突查。突查結(jié)果證實了之前的判斷，有2家單位在車削加工過程中，一次切削量過大，且在車削加工過程中沒有用切削液進行冷卻，部分車加工崗位的操作工甚至用可樂瓶灌裝切削液對工件進行局部澆射冷卻。對此，筆者拍下了一些照片。
一車加工單位，在立車上車削加工一輸出齒輪（見圖18），一次進刀切削量達2～3mm，車削量過大，且沒有按工步要求，先粗車后精車，而是夾住毛坯外圓后一個面直接粗精車到位，再調(diào)頭車另一面，造成兩面毛坯車削量不均，且在車削加工過程中始終沒有運用機床隨機的冷卻裝置。筆者讓操作工開啟冷卻裝置開關(guān)，卻沒有見到有冷卻液出來，待機床停機，工件停止，筆者用手觸摸加工齒輪表面，燙得急忙縮手，再查看車削下的鐵屑（見圖19），顏色已經(jīng)變成了藍色，類似于高頻淬火，用手觸摸，同樣燙得急忙縮手，可見齒輪加工表面溫度之高。顯而易見，該操作工車削加工已嚴重違反了車削加工操作規(guī)程，使工件表面組織產(chǎn)生了變化，大大增加了表面存在車削裂紋的可能性。
在另一車加工單位，筆者見到了相類似的情景：一6140車床操作工，在車削加工一主動齒輪，遠遠就可望見齒輪在切削過程中冒著縷縷清煙（見圖20、圖21），另外在車床上，筆者還看見了一根長長的車削冷卻液管高高的堅起著（見圖20）?？梢娎鋮s液管成了擺設(shè)，沒有起到其應有的功能。更有甚者，現(xiàn)場居然有一名操作工用灌裝著切削液的可樂瓶，正在對其加工的工件進行局部澆射……
筆者當即抽查三只齒輪進行著色滲透探傷，探傷結(jié)果顯示，其中有一只齒輪，車削表面隱約存在細小裂紋。
筆者立即對該兩家車加工單位開具了嚴重不符合通知，勒令其限期整改。
車削表面缺陷分析：在金屬切削加工時，由于刀具材料、形狀、幾何角度、零件材質(zhì)硬度、切削速度、切削量及冷卻條件等因素影響，往往產(chǎn)生表面粗糙的刀痕、精度尺寸不符合要求、表面層加工硬化和殘余應力等缺陷。從現(xiàn)場查證的結(jié)果分析，失效齒輪為切削液使用不當，導致被加工零件產(chǎn)生切削變形及表面異常紋理。切削表面因加工不當產(chǎn)生的異常紋理，實質(zhì)上是許許多多的微小裂紋，在應力作用下，成為疲勞源而擴展，大大降低了零件的疲勞壽命。
5.試驗結(jié)論
通過對失效齒輪進行材質(zhì)成分分析、硬度檢測和滲碳層表面有效硬化層深度，可以看出齒輪化學成分、表面硬度及滲碳有效硬化層深均符合技術(shù)圖紙要求。但從金相檢測分析，表面組織為針狀馬氏體，組織細小，且按JB/T 9211—2008評為4級，可見滲碳層組織符合技術(shù)要求，滲碳淬火工藝也符合相關(guān)技術(shù)要求，不會造成斷裂。次表面組織為針狀馬氏體，部分區(qū)域組織粗大，按JB/T 9211—2008評為7級，可見滲碳層與芯部過渡區(qū)部分區(qū)域存在組織粗大，過渡區(qū)組織不符合技術(shù)要求。芯部組織為板條馬氏體，部分區(qū)域組織粗大，按JB/T 9211—2008評為7級，可見芯部組織不均，組元多而雜，強度和韌性差距大，內(nèi)應力也大，晶粒粗大，亦顯著降低了齒輪的強韌性，這些是造成齒輪斷裂的主要原因。但在近表面節(jié)圓處取樣進行微觀檢驗，拋光態(tài)觀察，在車削表面存在大量網(wǎng)狀微裂紋，深度約0.03mm?？梢娷囅鞅砻尜|(zhì)量存在一定問題，一般情況下，車削表面有0.03mm的微裂紋不會影響整個齒輪的斷裂失效，但由于該齒輪材料偏析嚴重（鋼錠鑄件偏析的存在使鑄件各部位乃至晶內(nèi)成分不一致，導致性能不一致，易形成應力集中，降低鑄件的力學性能、耐腐蝕性、斷裂韌性、抗疲勞性及鍛造性能。尤其是晶內(nèi)偏析，使得晶界和枝晶處與平均濃度有很大差別，顯著降低了材料的韌性和抗蝕性，從而降低了鑄件的抗失效性能。）且心部馬氏體組織粗大，存在較大內(nèi)部應力，加速了裂紋的發(fā)展。所以，齒輪斷裂的原因為：該齒輪材料存在較嚴重偏析，且芯部馬氏體組織粗大，存在較大的內(nèi)部應力，同時該齒輪的車削加工表面存在微裂紋，在試車時，節(jié)圓處為應力最大部位，由于內(nèi)應力和表面裂紋的共同作用，在近表面節(jié)圓處出現(xiàn)裂紋，并逐步發(fā)展，最終導致齒輪的斷裂失效。
6.改進措施及質(zhì)量控制
根據(jù)以上分析可以看出，齒輪斷裂的主要原因是材料本身存在較嚴重的偏析，且組織晶粒粗大，存在較大內(nèi)部應力，加上車削表面缺陷——微裂紋的存在，最終導致齒輪斷裂失效。
為解決上述問題，筆者主要從兩個方面進行了改進和控制：一方面對原材料進行嚴格控制并優(yōu)化預處理工藝；另一方面對車削表面質(zhì)量進行控制。
（1）對原材料進行嚴格控制和鍛件熱處理工藝優(yōu)化
一方面對原材料進行嚴格控制，指定鋼廠采購原材料，并對鋼錠進行相關(guān)檢驗檢測，尤其是材料偏析的檢測控制。另一方面通過優(yōu)化鍛件熱處理工藝，對工件進行正火加回火預處理，細化晶粒，減小應力集中的可能性，以進一步提高材料的斷裂強度和斷裂韌性。
對原材料進行嚴格控制：輸入齒輪原材料是20CrMnMoH鋼，為保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼材料（GB/T5216-2004）。為嚴格控制原材料鋼錠的質(zhì)量，要求鍛造供方在本公司指定的鋼廠進行采購，以避免原材料通過非正規(guī)渠道進貨，且須采購經(jīng)LF+VD真空脫氣冶煉的鋼錠。并要求供方對采購的鋼錠除常規(guī)的檢驗檢測外增加超聲波探傷，并重點加強對材料偏析的分析檢測。在鋼錠凝固過程中，合金成分的均勻化擴散來不及進行所致。在鋼中，碳、硫、磷、氮、鎳、鉻等元素都具有強烈的偏析傾向，其中尤以碳、磷、硫的偏析傾向為最大?；诓煌煞趾筒煌M織對侵蝕的反應不同，用適當?shù)那治g劑可使枝晶偏析清晰的顯示出來，用顯微硬度檢查也可以間接檢查出偏析。區(qū)域偏析可以用宏觀方法檢驗，常用的是1：1鹽酸水溶液的熱酸蝕試驗。
鍛件熱處理工藝優(yōu)化：20CrMnMoH鋼自由鍛件的成型通常采用傳統(tǒng)的鍛造工藝。在加熱過程中，爐內(nèi)局部溫度過高或加熱時間過長易使坯料內(nèi)部形成粗大的過熱組織，若后續(xù)的鍛造過程未嚴格執(zhí)行“三鐓、三拔”或設(shè)備的鍛壓力較小，粗大的過熱組織未得到充分地破碎就會保留在鍛造件毛坯中。過熱組織會導致鍛件的屈服強度、抗拉強度、延伸率、截面收縮率、沖擊韌性等力學性能大幅度降低，從而嚴重影響其疲勞壽命和使用安全。因此，改善它至關(guān)重要。
再者，鋼的鍛造是在奧氏體區(qū)域內(nèi)加熱，隨著溫度的升高，奧氏體開始長大，由于第二相質(zhì)點對奧氏體的晶界具有“釘扎”作用，會阻礙晶界的遷移，晶粒長大比較慢，而溫度的高低和冷卻速度的不同會形成不同狀態(tài)的過熱組織。對于冷卻速度過快或過慢，晶界上無第二相質(zhì)點析出或有且析出聚集成較大質(zhì)點的過熱組織屬于非穩(wěn)定過熱組織，通過正常的正火加回火可以使晶粒得到細化。
基于以上原因，將原鍛件正火工藝進行了改善：900℃等溫2h，爐冷至600℃保溫2h，出爐坑冷。并且對正火加回火狀態(tài)的鍛件本體取樣“一拉三沖”進行機械性能檢測，驗證其屈服強度、抗拉強度、伸長率、截面收縮率及沖擊韌性符合要求。
（2）對車削加工表面質(zhì)量進行控制
為加強對齒輪車削加工表面質(zhì)量的有效控制，筆者進行了以下兩方面的控制：一方面，對外協(xié)車加工單位進行全面整改，車削設(shè)備全部裝備冷卻液系統(tǒng)，車削加工過程中嚴格按車削規(guī)范進行切削，控制車削表面質(zhì)量，特別是表面粗糙度等；另一方面，筆者公司外協(xié)車加工單位供貨的齒輪在進貨檢驗時，增加MT和PT檢測，利用無損檢測手段，控制車削表面細小裂紋 ，以確保車削表面質(zhì)量不影響后續(xù)加工和最終熱處理。
7.結(jié)語
綜上所述，當企業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題或在制造過程中出現(xiàn)失效，如何有效的分析原因，制定相應的糾正和預防措施，進行切實有效的質(zhì)量控制，更是一個企業(yè)質(zhì)量管理的關(guān)鍵。筆者通過多種檢驗檢測方法及實地調(diào)查研究分析，找出了齒輪失效的原因并提出了相應的改進措施。經(jīng)過一段時間的實踐，取得了顯著的效果，避免了斷裂事故的再次發(fā)生（近幾年來，未發(fā)生過類似的質(zhì)量問題），從而大大增加了產(chǎn)品的可靠性，進一步提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
