空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪內(nèi)孔開(kāi)裂失效分析及預(yù)防措
發(fā)布時(shí)間：2017-08-05 14:31 來(lái)源：tommy 閱讀：
奧貝球鐵齒輪在各種機(jī)械傳動(dòng)中是動(dòng)力傳遞的主要零件，由于奧貝球鐵齒輪的熱處理工藝、機(jī)械加工工藝以及零件材料等諸多方面的原因，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生各種缺陷，以至加速了奧貝球鐵齒輪的局部損壞甚至完全失效。SAE8620H鋼是一種含有鉻、鎳、鉬元素的奧貝球鐵齒輪用鋼，其化學(xué)成分與我國(guó)的20CrNiMo鋼大致相當(dāng)。2017年我廠(chǎng)繼續(xù)加大市場(chǎng)轉(zhuǎn)型力度，在淘汰部分落伍刀具、穩(wěn)固部分刀、量具市場(chǎng)并積極開(kāi)發(fā)新型、高壽命刀、量具的同時(shí)，大力發(fā)展奧貝球鐵齒輪業(yè)務(wù)。而且?jiàn)W貝球鐵齒輪業(yè)務(wù)目前已經(jīng)開(kāi)始由商用車(chē)奧貝球鐵齒輪業(yè)務(wù)向乘用車(chē)奧貝球鐵齒輪業(yè)務(wù)成功轉(zhuǎn)型。由于某客戶(hù)產(chǎn)能不足，為確保交貨期部分奧貝球鐵齒輪只好外委熱處理。本廠(chǎng)與另一廠(chǎng)家共同為該客戶(hù)供應(yīng)空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪和凸輪軸惰奧貝球鐵齒輪成品，這兩者互相嚙合。其中我廠(chǎng)負(fù)責(zé)供應(yīng)凸輪軸惰奧貝球鐵齒輪，兩家企業(yè)的供應(yīng)商按客戶(hù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)采購(gòu)SAE8620H鋼為各自供應(yīng)空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪和凸輪軸惰奧貝球鐵齒輪毛坯（鍛造及預(yù)處理態(tài)）。兩種奧貝球鐵齒輪模數(shù)為2.54，熱處理技術(shù)要求為滲碳淬火，馬氏體（或殘留奧氏體）級(jí)別≤3級(jí)，碳化物級(jí)別≤3級(jí)。表面硬度57～62HRC，心部硬度25～45HRC，有效硬化層深0.41～1.00mm。
經(jīng)過(guò)各道工序處理后的空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪成品與我廠(chǎng)凸輪軸惰奧貝球鐵齒輪成品共同發(fā)往客戶(hù)處，在某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上裝機(jī)。但客戶(hù)在發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)車(chē)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)曲軸不能盤(pán)動(dòng)，拆卸檢查后發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪內(nèi)孔出現(xiàn)了開(kāi)裂而凸輪軸惰奧貝球鐵齒輪正常。隨機(jī)抽查風(fēng)險(xiǎn)批次兩臺(tái)還沒(méi)有裝配的空壓機(jī)顯影檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪有微裂紋，隨機(jī)抽查風(fēng)險(xiǎn)批次六臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)拆解后進(jìn)行顯影檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中三臺(tái)空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪有微裂紋，隨機(jī)抽查3臺(tái)新到貨批次的空壓機(jī)進(jìn)行顯影檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中有兩臺(tái)空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪有微裂紋，客戶(hù)立即監(jiān)察空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪的裝配過(guò)程但并未發(fā)現(xiàn)有異常。
應(yīng)客戶(hù)要求，客戶(hù)直接將盤(pán)車(chē)中發(fā)現(xiàn)的開(kāi)裂空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪失效件寄送至我廠(chǎng)復(fù)檢。我廠(chǎng)技術(shù)部門(mén)熱加工人員、冷加工人員聯(lián)合質(zhì)量部理化檢查室對(duì)于發(fā)生早期失效的奧貝球鐵齒輪進(jìn)行了材料成分、宏觀組織、顯微組織等各種分析，并委托技術(shù)中心進(jìn)行了電鏡分析，以期找出奧貝球鐵齒輪早期失效的原因。
一、宏觀分析
肉眼目測(cè)裂紋起始于內(nèi)孔表面，開(kāi)始段呈現(xiàn)放射狀擴(kuò)展，心部沿著鍛造金屬流線(xiàn)擴(kuò)展，在端部斷口上可以觀察到有反光小刻面。圖1為奧貝球鐵齒輪外觀圖，圖2顯示出開(kāi)裂位置（除圈線(xiàn)位置外已經(jīng)全部開(kāi)裂）。圖3為詳細(xì)的斷口宏觀形貌。
三、斷口分析
裂紋起始于內(nèi)孔的內(nèi)壁、深度約0.5mm（見(jiàn)圖4斷口低倍形貌），斷口未見(jiàn)明顯典型的疲勞特征，由斷口觀察推斷奧貝球鐵齒輪為一次性開(kāi)裂。外委技術(shù)中心使用SU-70場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)于斷裂面進(jìn)行常規(guī)超聲波清洗以后做SEM觀測(cè)形貌。裂紋源區(qū)域的斷口呈現(xiàn)為冰糖狀沿晶脆性斷裂，表層斷口顏色比較深，可觀測(cè)到輕微氧化現(xiàn)象，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原始裂紋、非金屬夾雜和折疊等原始缺陷，如圖5所示。樣品其他的位置的表層斷口表現(xiàn)為冰糖狀沿晶斷口和撕裂的混合斷裂，如圖6所示。纖維狀區(qū)域斷口是韌窩狀態(tài)的韌性斷裂，斷口呈現(xiàn)出帶狀，在帶狀的底部可觀察到條狀硫化物非金屬夾雜，如圖7、圖8所示。宏觀下觀測(cè)到的反光小刻面區(qū)域斷口為河流狀解理和韌窩的混合斷裂，如圖9、圖10所示。內(nèi)孔圓弧面上面有泥溝狀態(tài)的磨削紋路，斷口附近有垂直于磨削方向，平行于斷面的微裂紋，局部還有斷斷續(xù)續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀微裂紋，如圖11、圖12所示。
四、金相分析
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，將空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪的齒部和開(kāi)裂部位制樣磨拋好，用4%硝酸酒精腐蝕，并使用NEOPHOT32型金相顯微鏡對(duì)于齒部和開(kāi)裂部位進(jìn)行微觀組織檢測(cè)。檢測(cè)條件為31℃，濕度52%RH。在斷裂處取樣進(jìn)行金相組織分析，非金屬夾雜物評(píng)級(jí)為：細(xì)系硫化物級(jí)別0.5級(jí)、細(xì)系氧化鋁類(lèi)級(jí)別0.5級(jí)、細(xì)系硅酸鹽類(lèi)級(jí)別0.5級(jí)、細(xì)系球狀氧化物類(lèi)級(jí)別0.5級(jí)、單顆粒非金屬夾雜物局部級(jí)別1級(jí)。齒部表層內(nèi)氧化層級(jí)別3級(jí)，奧貝球鐵齒輪齒部節(jié)圓表層金相組織為回火針狀馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，碳化物級(jí)別2級(jí)，殘余奧氏體及馬氏體級(jí)別2級(jí)，如圖13、圖14所示。齒部心部金相組織為板條馬氏體1級(jí)，如圖15所示。內(nèi)孔表層金相組織為回火針狀馬氏體+殘留奧氏體+碳化物，碳化物級(jí)別2級(jí)，殘留奧氏體及馬氏體級(jí)別2級(jí)，如圖16所示。內(nèi)孔心部金相組織為板條馬氏體+貝氏體，級(jí)別為3級(jí)，如圖17所示。
五、心部硬度、內(nèi)孔部位及端面部位層深分析
用HR-150A型洛氏硬度計(jì)依據(jù)GB/T 230—1991《金屬洛氏硬度實(shí)驗(yàn)方法》測(cè)試齒的心部硬度為37HRC滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，用恒一F-700型維氏顯微硬度計(jì)依據(jù)GB9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》，同時(shí)參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)序列當(dāng)中的滲碳淬火標(biāo)準(zhǔn)《奧貝球鐵齒輪滲碳及熱處理工藝規(guī)程》，用1kg載荷進(jìn)行表面硬度、硬度梯度以及有效硬化層深的測(cè)量，與國(guó)標(biāo)不同的是此處檢測(cè)以515HV處作為有效硬化層深的判定界限，將硬度梯度測(cè)試結(jié)果用曲線(xiàn)圖形式予以表達(dá)，縱坐標(biāo)為維氏硬度，橫坐標(biāo)為測(cè)試點(diǎn)離開(kāi)表面的距離，點(diǎn)連線(xiàn)表示硬度隨著距離變化的趨勢(shì)，以硬度法為準(zhǔn)，515HV處作為評(píng)價(jià)界限。對(duì)內(nèi)孔部位測(cè)量滲碳淬硬層深，測(cè)得硬化層深為0.480mm；對(duì)端面部位測(cè)量滲碳淬硬層深，測(cè)得硬化層深為0.798mm，推測(cè)內(nèi)孔磨削余量超過(guò)0.3mm。如圖18、圖19所示。
六、磁粉探傷分析
經(jīng)過(guò)實(shí)體顯微鏡觀察和磁粉探傷發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔表面存在有大量的磨削裂紋，部分裂紋貫穿整個(gè)磨削面，貫穿裂紋之間還有很多細(xì)小裂紋，總共在試樣內(nèi)孔的5mm圓周范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了6條裂紋，使用CJW—4000型磁粉探傷機(jī)探傷內(nèi)孔磨削裂紋形貌如圖20所示。
七、分析與討論
1.原因分析
非金屬夾雜物往往脆性大而且強(qiáng)度低，與金屬基體組織膨脹系數(shù)差別很大，非金屬夾雜物的邊緣部位應(yīng)力分布極其不均勻，其存在破壞了金屬材料基體的連續(xù)性，使材料組織的脆性增大，韌性降低。條狀硫化物非金屬夾雜的存在是由于材料自身的雜質(zhì)元素未得到有效凈化而引起。但是其延展性比較好。同時(shí)失效件的條狀硫化物非金屬夾雜級(jí)別很低，并沒(méi)有超出客戶(hù)企標(biāo)規(guī)定的級(jí)別，因此該缺陷并不是導(dǎo)致內(nèi)孔開(kāi)裂的主因。
磨削滲碳淬火鋼奧貝球鐵齒輪時(shí)容易發(fā)生磨削裂紋。一般產(chǎn)生于磨削表面，從本例中失效件的裂紋形態(tài)來(lái)看磨削裂紋垂直于磨削方向呈現(xiàn)平行分布，屬于比較輕的第一類(lèi)磨削裂紋。還沒(méi)有達(dá)到呈現(xiàn)嚴(yán)重龜甲狀第二類(lèi)磨削裂紋的程度。
磨削裂紋的出現(xiàn)往往是由內(nèi)部應(yīng)力誘發(fā)所導(dǎo)致，主因是磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱，磨削接觸區(qū)溫度可達(dá)400℃以上，磨削接觸點(diǎn)溫度可達(dá)1000℃以上，磨削熱導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織相變而引起體積變化的相變應(yīng)力。
滲碳淬火奧貝球鐵齒輪的金相組織里的馬氏體和殘留奧氏體都是不穩(wěn)定相，而且處于膨脹狀態(tài)。磨削時(shí)產(chǎn)生的高熱使砂輪與奧貝球鐵齒輪接觸區(qū)表面溫度快速升高，當(dāng)達(dá)到100～200℃并且迅速冷卻時(shí)必然會(huì)收縮但僅發(fā)生在表面，此時(shí)基體仍然處于馬氏體膨脹狀態(tài)，從而使得表面承受為拉應(yīng)力而產(chǎn)生微裂紋。繼續(xù)磨削將產(chǎn)生大量磨削熱，溫度升高到200～300℃，體積再次膨脹，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到300～400℃時(shí)表層會(huì)發(fā)生相變引起體積縮小造成表面的收縮再次形成裂紋。馬氏體的膨脹收縮隨鋼中含碳量的增加而增大，所以滲碳淬火SAE8620H鋼內(nèi)孔的滲碳表面產(chǎn)生磨削裂紋尤其敏感。同時(shí)淬火鋼里的殘留奧氏體因磨削熱轉(zhuǎn)變成新馬氏體集中在內(nèi)孔表面又增加表面應(yīng)力，此時(shí)繼續(xù)進(jìn)行磨削將會(huì)加速產(chǎn)生磨削裂紋。從內(nèi)孔的外部受力來(lái)看磨削時(shí)表面和砂輪接觸，內(nèi)孔表面既受壓應(yīng)力又受拉應(yīng)力使磨削表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力也助長(zhǎng)磨削裂紋的形成。
2.改善措施
根據(jù)磨削裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，為了消除該缺陷需要從熱加工方面和冷加工方面共同著手改善：
熱加工方面考慮到磨削裂紋產(chǎn)生的根源是滲碳淬火件的馬氏體組織處于膨脹狀態(tài)導(dǎo)致有應(yīng)力存在，所以淬火后應(yīng)當(dāng)立即回火處理以減少或者消除應(yīng)力。為了防止本例中的程度比較輕的第一類(lèi)磨削裂紋，應(yīng)當(dāng)在不造成奧貝球鐵齒輪硬度降低的前提下于150～200℃內(nèi)進(jìn)行回火；如果回火一次后仍然還會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋則必須要進(jìn)行二次回火或者人工時(shí)效處理。另外對(duì)于剛出爐的奧貝球鐵齒輪待冷卻到常溫后再磨削。
冷加工方面考慮到磨削裂紋產(chǎn)生原因是磨削熱，則消除途徑是通過(guò)減少磨削熱的產(chǎn)生和加速磨削熱的傳導(dǎo)散發(fā)這兩個(gè)途徑處理，分如下四個(gè)方面入手；
（1）采用良好的冷卻措施，保證工件得到良好的冷卻，選用性能比較好的磨削液，加大磨削液流量，提高磨削液的壓力，改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)或者采用噴霧冷卻，保證磨削液最大限度進(jìn)入磨削區(qū)域，帶走大部分磨削熱量，采用砂輪內(nèi)冷方式以改善冷卻條件。
（2）合理選擇磨削用量，提高工件轉(zhuǎn)速和工件軸向進(jìn)給量使砂輪和奧貝球鐵齒輪同一部位接觸時(shí)間變短，則砂輪對(duì)于接觸面的加熱時(shí)間縮短，傳入到工件表層的熱量大大減少。由于磨削深度對(duì)于磨削熱的影響最大，為避免磨削熱的大量產(chǎn)生，在兼顧生產(chǎn)效率的前提下選擇比較小的磨削深度。
（3）將磨削過(guò)程分為粗磨和精磨，粗磨用粒度比較粗的砂輪，便于強(qiáng)力磨削，提高切削效率；精磨用粒度比較細(xì)的砂輪便于保證工件表面光潔度。
（4）砂輪的合理選用和修整：滲碳淬火奧貝球鐵齒輪硬度高，為降低磨削熱量在加工中選用硬度比較軟，組織疏散，磨料脆性比較大的砂輪，提高砂輪的自銳性保持良好的切削能力，同時(shí)保證光潔度的前提下選擇比較粗的粒度。合理選擇砂輪修整用量并且及時(shí)修整砂輪。
八、結(jié)論
（1）奧貝球鐵齒輪為一次性開(kāi)裂。
（2）奧貝球鐵齒輪開(kāi)裂首先是磨削裂紋為根源，而后在受到外力的作用下時(shí)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展并引發(fā)開(kāi)裂。
（3）硬度和金相組織未見(jiàn)異常。
九、后續(xù)措施
為了有效貫徹不合格品不生產(chǎn)，不接受，不流出的原則，在繼續(xù)保證滲碳熱處理過(guò)程是受控的前提下，根據(jù)本廠(chǎng)發(fā)布的裂紋分析報(bào)告和熱、冷加工工藝給出的建議，該空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪供應(yīng)商對(duì)于內(nèi)孔磨削過(guò)程監(jiān)審中發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)異常點(diǎn)作以下處置：鎖定磨削參數(shù)設(shè)置，有效禁止操作者隨意進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，固化程序，優(yōu)化設(shè)備；固定磨削液流量和冷卻位置；增加空壓機(jī)奧貝球鐵齒輪安裝孔的磨削燒傷檢測(cè)并且與客戶(hù)商議確定接受標(biāo)準(zhǔn)。除了每個(gè)班次的首末件應(yīng)當(dāng)要進(jìn)行磨削燒傷檢測(cè)之外，在每更換一次砂輪時(shí)都增加一件奧貝球鐵齒輪的磨削燒傷檢測(cè)并出具磁粉探傷報(bào)告。在實(shí)施以上諸項(xiàng)措施后未再出現(xiàn)該磨削開(kāi)裂現(xiàn)象。
磨削工藝不當(dāng)是造成內(nèi)孔裂紋及失效的根本原因，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化磨削工藝參數(shù)，選用合適的磨削進(jìn)給量和磨削余量，改進(jìn)磨削工藝質(zhì)量控制流程，增加抽檢頻次，使得該質(zhì)量問(wèn)題得到了有效解決。
