发动机齿轮轴表面开裂原因分析

齿轮轴要进行渗碳、淬火和磨削加工。具体的加工工艺流程为:备料→机加工Ⅰ→渗碳→机加工Ⅱ→检验→淬火+回火→机加工Ⅲ→检验。

某批次齿轮轴在磨削端面和外圆后发现磨削面有裂纹，本文分析了齿轮轴表面开裂的原因。

一、理化检验

（一）宏观检验

从齿轮轴端面沿中心螺纹孔边缘中白线取样酸蚀后进行宏观检验，发现裂纹基本垂直于磨削方向规则分布，多条裂纹沿螺纹孔边缘向四周辐射状扩展，部分裂纹呈网状。

（二）化学成分分析

从齿轮轴心部取样进行化学成分分析，结果列于表1。齿轮轴的化学成分符合要求。

（三）硬度和渗碳层深度检测

测定了齿轮轴外圆和开裂端面的硬度和硬化层深度，结果见表2。外圆面硬度合格，硬化层深度大于技术要求。端面硬化层深度合格，表面硬度低于技术要求。

端面是加工面，对硬化层深度和硬度无要求，检测结果仅用于对比分析。

（四）裂纹形貌

裂纹的宏观形貌、深度和微观形貌如图3所示。裂纹深度为0．22～0．34mm，基本平行分布，见图3(b)。

图3(c)表明，裂纹沿晶扩展，其两侧显微组织无明显差异，均为回火马氏体，无脱碳层，表明裂纹是锻造和热处理后产生的，可能是磨削所致。

（五）金相检验

按GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评定，齿轮轴的非金属夹杂物含量为A1．0，B0，C0，D1．0，如图4(a)所示。

硬化层组织为马氏体、残留奥氏体和粒状碳化物，按GB/T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》评定，马氏体为3级，残留奥氏体为2级，碳化物为1级，见图4(b)。

心部组织为低碳马氏体、贝氏体和铁素体，均为3级，见图4(c)。以上检测结果表明，齿轮轴的渗碳、淬火工艺正常。

金相检验发现，垂直于端面裂纹的金相试样边缘有深色层(黑层)，裂纹穿过深色层向心部扩展，见图5(a)，显微组织为回火托氏体，硬度为398HV1。由硬度梯度可知，在表层0．2mm范围内硬度较低，超过0．3mm硬度上升至正常值，见图5(b)。

这表明，该深色层为二次回火烧伤产生的变质层。同时局部区域变质层的外侧有不规则的白色层(白层)，且有裂纹，见图5(c)和图5(d)。白色层为淬火马氏体，为二次淬火导致的变质层。

由硬度梯度可知，距表层0．1mm范围内硬度为695HV1，随后急剧下至410HV1，再恢复到正常值，见图5(e)。

根据相变原理，当零件表层受热达到材料的奥氏体化温度时，由于自身或冷却液的冷却，会二次淬火马氏体，其硬度高于正常的回火马氏体，次表层则形成硬度较低的回火托氏体，硬度急剧下降，再向内，组织仍为回火马氏体，硬度正常。

二、分析与讨论

由以上理化检验结果可知:表面开裂的齿轮轴化学成分和非金属夹杂物含量符合要求;外圆面硬度合格，硬化层略深于要求值，但外圆磨削后并未发现有裂纹。

有裂纹的端面硬化层深度合格但硬度低于要求，说明硬化层深度和表面硬度不会导致齿轮轴表面开裂。

齿轮轴的显微组织，包括表层马氏体、碳化物、残留奥氏体含量及心部组织，均符合标准要求，说明齿轮轴淬火后回火较充分，可以排除热处理工艺方面的因素。

齿轮轴表面局部区域有烧伤导致的变质层，根据齿轮轴的加工过程和裂纹的形貌及分布特征，可初步断定烧伤与磨削加工有关。

通常，磨削速度较高(为车、铣加工的20倍);磨粒小，散热差，其单位切削面积消耗的功率有90%以上都转换成热能，磨削热的大量累积可使磨削区的温度达到800~1000℃甚至更高，导致零件表层淬火或回火，并严重影响零件的力学性能和使用寿命。

材料冶金质量差，非金属夹杂物含量高、局部偏析严重;热处理后组织粗大、残留奥氏体多和碳化物呈网状等，均会增大磨削开裂纹倾向。齿轮轴材料和热处理质量正常，裂纹主要由磨削工艺不当所致。

关于磨削裂纹的形成机制，当工艺参数选择不当或操作不当，工件表面温度达到回火温度时，马氏体分解为索氏体或托氏体，造成磨削二次回火烧伤。

表层形成索氏体或托氏体体积收缩，而心部不收缩，使表层拉应力超过材料的脆断抗力，将产生龟裂现象。

磨削过程中，如果冷却不充分使表面温度达到800℃甚至更高，则局部表层会奥氏体化，在自身基体或冷却液的作用下淬火形成马氏体，产生残余应力，与磨削应力叠加，导致产生磨削裂纹。

三、结论及建议
从以上检测结果可以看出，两炉转子的低倍和高倍组织均无异常，说明两炉钢的冶炼和锻造工艺均正常，热处理工艺也无问题，但炉号为Y20200413-12的转子微量元素Sb的含量较高。

为了防止汽轮机低压转子用30Cr2Ni4MoV钢出现类似问题，必须严格控制废钢的质量，进一步提高钢的纯净度，尽量降低微量元素As、Sn、Sb的含量，使As≤0．012%、Sn≤0．012%、Sb≤0．0017%。