渗碳齿轮轴纵向延迟开裂原因分析及防治措施

图1齿轮轴示意图

齿轮轴参数  m=10  z=14  a=20° 渗碳层深度1.8~2.3mm

齿部硬度56~63HRC   心部硬度30~40HRC

7月中旬从成品库将这批齿轮轴领出进行装配，在装配中发现16根齿轮轴齿部沿齿向全长产生纵向贯穿性的严重开裂而报废。见图2所示。      

 2 齿轮轴齿面严重开裂示意图

在气体渗碳中，由氢脆造成的开裂不是在热处理和机加工完成以后就马上在齿面产生的裂纹，而是在成品库放置一段时间之后产生的，这种开裂属于典型的延迟开裂，在国内齿轮行业中时有发生，经济上给企业造成的损失很大。

一、齿轮钢氢脆的基本概念

    1、氢脆的危害性

    ①钢中含氢量过高，钢显著变脆

从本质来看，白点的存在使钢的力学性能，特别是横向的塑性和韧性急剧降低，成为最危险的断裂源，严重影响零件的使用性能和寿命。

②延迟开裂的隐蔽性

对于齿轮轴在成品库存放中的齿部开裂以及在装配中的开裂，有关人员在工作中均可发现，但对于总装后已发至用户的总成件，用户在使用中对齿部何时开裂就无法预计，在使用中一旦齿部开裂或断裂，在瞬间将诱发恶性事故的发生，这样就无法进行事先预防，事故具有严重的隐蔽性，对车辆正常运转带来严重的威胁和安全上的隐患。

    2、产生氢脆的三个基本条件

    ①有足够的氢

    ②有对氢敏感的金相组织

    ③有足够的三相应力存在

    3、氢脆断裂的主要特点

    ①延迟开裂或断裂   工件热处理后对没有发生开裂或断裂，探伤检测也没有裂纹，而是放置几个月以后才发生的开裂，均属延迟开裂，延迟开裂是氢脆的一个重要特征。

    ②多数都是横断。

    ③开裂是贯穿性的大裂纹，不是表面的细小裂纹。

    ④工件在渗碳热处理前后，有电镀、酸洗及磷化过程中由于氢的渗入，在室温停放一段时间后，发生断裂（无载荷），尤其对薄壁件危害极大，这方面我们有着深刻的教训。

    ⑤发生氢脆断裂材料的强度，硬度变化不大，断面收缩率下降了50%-90%。

    ⑥断口分析表明，断口的形貌具有典型的沿晶断裂特征。

    4、对氢脆比较敏感方面的注意事项

    ①硬度  渗碳齿轮表面的硬度大于50HRC，心部硬度大于30HRC，具有氢脆敏感性。硬度越高，氢脆的敏感性越大。

    ②组织  孪晶马氏体、马氏体和贝氏体的混合物、马氏体加残余奥氏体、低碳马氏体、贝氏体组织具有较大的氢脆敏感性，而铁素体或珠光体氢脆敏感性较低。渗碳淬火组织对氢脆具有较强的敏感性。

    ③应力  应力越大、越集中氢脆敏感性越强，氢脆断裂往往发生在工件应力集中处。充分回火应力减低，氢脆敏感性下降。

    ④钢种  低碳钢氢脆敏感性低，Cr-Mn-Mo、Cr-Mn-Ti、Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-W等钢的氢脆敏感性较大。

    ⑤钢的含碳量增加，Cr、Ni、Mo等元素含量增加，氢脆敏感性增大。

二、齿轮轴齿面延迟开裂的原因分析：

（一）从钢材的源头说起，提高钢材的冶金质量，确保钢材的纯净度达标。

1、钢的纯净度是反映钢材质量的重要指标

氮、氢、氧气体存在于钢中的危害性：

氮、氢、氧气体存在钢中，将对钢的性能产生严重影响。

氮存在钢中，常使钢的硬度和强度提高，而塑性降低，导致钢产生时效而变脆。

微量的氢在钢中，会使钢的塑性剧烈下降，出现“氢脆”，造成延迟开裂和局部显微裂纹。在显微镜下，可见白色圆痕，常称之为“白点”，它是一种使钢产生突然断裂的根源。

氧对钢的力学性能影响很大，会使钢的强度和塑性降低。尤其氧化物（Fe3O4、FeO、MnO、SiO2、Al2O3等）夹杂在钢中，加剧了钢的热脆现象，且降低了钢的疲劳强度。

总之，气体是钢中最有害的元素对钢的性能和质量影响很大，因此，必须严格控制其含量。

2、生产含氢、氮、氧较低的纯净钢，炉外精炼是关键。

国内、外先进的冶炼方法是采用电炉粗炼+炉外精炼，炉外精炼是关键，必须引起足够的重视。

炉外精炼一般采用真空脱气法、真空浇铸等先进工艺的方法，使齿轮钢中的氧含量由30～40ppm减低到20ppm以下。通过炉外精炼可以使钢中的氢、氮、氧含量控制到很低的水平，大大降低了S、P的含量，显著减少非金属夹杂的含量，改善非金属夹杂物的形态。

对某些要求更高的齿轮，可采用电渣重熔的方法进一步提高钢材的冶金质量。

目前国内部分有实力的特钢企业生产的汽车齿轮钢，能达到的质量指标已接近和达到国际先进水平：[O]≤15ppm; [H]≤1.0ppm; [N]≤40～60ppm; [S]≤10ppm ；[P]≤30ppm。

国内、外权威机构和有关行业（锻造、热处理）一致公认：锻件的氢含量在2X10-6以下时，这时钢中的含氢量已降至不发生白点和氢脆的极限含氢量以下，所以不会产生白点和氢脆。

3、改善钢材纯净度，减少有害气体含量，减少非金属夹杂。

齿轮钢中的杂质主要是非金属夹杂物，它存在于晶粒之中，破坏了晶粒晶体结构的连续性，非金属夹杂物在钢中实质起到了裂纹的作用，是钢产生裂纹直至破断的祸根。由于非金属夹杂物与基体的物理和力学特性差异很大，所以实际上是一种危害很大的缺陷。

①对热处理的影响

由于夹杂物与金属基体热膨胀系数不同，在热处理过程中会产生很大的内应力，经测试可达124Mpa，尤其是脆性夹杂物，如Al2O3产生的应力更大，另外，在气体渗碳中，夹杂物会促使内氧化深入，即增加黑色组织形成的倾向。

②对机械性能的影响

夹杂物在金属中实质起到裂纹的作用。在抗拉强度试验中，主要影响是塑性和韧性，尤其对横向性能的降低更为严重。

在齿轮钢中，氧和硫分别以氧化物和硫化物的形式存在，齿轮钢的纯净度取决于氧化物和硫化物的夹杂物。

这些非金属夹杂物的尺寸、形状及分布对齿轮钢的质量有很大影响。

从以上分析，得出以下结论：使用有害气体超标、杂质严重的低端劣质钢即钢材的纯净度不达标，是产生延迟开裂的主要原因之一。

（二）、齿轮钢含氢量过高，氢主要来自以下二个方面

    1、氢来自冶炼时氢的熔入，造成齿轮钢质量上的先天不足

钢在冶炼时，不可避免的有氢、氧、氮有害气体溶入其内。炉料中如有过多的铁锈[Fe（OH）2]、水分、将使钢液中的氢含量增加，雨季时炉料难免潮湿，铁锈增多，而且钢液还要在空气中吸收水分，空气的湿度与钢液中的氢含量有对应关系。因此，潮湿季节炼出的钢往往比干燥季节炼出的钢氢含量要高，因此产生白点和氢脆的倾向增大。

    2、氢来自气体渗碳中氢的渗入，造成齿轮钢质量上的后天不足

    ①渗碳排气阶段甲醇滴入量过大

 甲醇分解：CH3OH     CO+2H2,分解产物中氢含量占66%（体积比），工件装炉后加热，由于工件温度低，氢的渗入量大于碳的渗入量。一般规律是温度越高碳的渗入量越多，氢的渗入量少；温度越低，氢的渗入量增多，碳的渗入量减少。对渗碳的排气阶段，为了尽早的把炉内空气排出，甲醇的滴入量很大，致使炉内氢势很高，促进了氢的渗入。

氢脆一般只发生在气体渗碳件上，在固体、液体渗碳时，发生的几率很低。

   ②气体渗碳或其它保护气氛中氢含量都是比较高的。热处理常见气氛中氢的含量见下表所示。