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20CrMnTi鋼制碳氮共滲主動(dòng)錐齒輪斷裂及防止措施

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主動(dòng)錐齒輪是汽車(chē)或動(dòng)力機械傳遞動(dòng)力和速度的重要零件,選用的材料為20CrMnTi,其技術(shù)要求為碳氮共滲深度0.6~0.9mm,淬火后表面硬度為59~63HRC,心部硬度為33~48HRC。其加工流程為鍛造→正火→機加工→鍍銅→碳氮共滲→淬火、回火→機加工→裝配。生產(chǎn)中發(fā)現在齒輪熱處理一段時(shí)間或使用中,齒尖端出現氫脆剝落(齒尖脫皮或脹皮)現象,有的齒輪出現氫脆裂紋和斷裂失效,嚴重影響產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。

主動(dòng)錐齒輪熱處理

對于失效件進(jìn)行分析,檢驗發(fā)現齒輪裝配后在螺紋空刀槽與花鍵連接R1處發(fā)生斷裂,斷口平齊,無(wú)氧化顏色和無(wú)塑性變形,呈結晶狀脆性斷裂。從斷口的微觀(guān)形貌觀(guān)察發(fā)現,晶面呈現微細的爪狀撕裂線(xiàn),裂紋一方面沿晶擴展,一方面又沿馬氏體束延伸,既呈現出沿晶又穿晶的混合斷裂形貌,并有較多的二次裂紋,為典型的氫脆斷裂特征。從斷裂齒輪殘留應力測試表明,其表面為拉應力,內部為拉應力,在螺紋空刀與花鍵連接處殘留應力很大,造成工件在此處斷裂。

通過(guò)以上分析,認為齒輪斷裂屬于氫脆斷裂的靜載荷斷裂,即碳氮共滲時(shí)有氫氣滲入,在裝配時(shí)鎖緊力和殘留應力的作用下,氫氣滲入應力集中區域并聚集,造成了氫含量高的部位(表面與次表面)出現裂紋。同時(shí)該區域存在夾雜、刀痕、尖角等缺陷,為齒輪強度最薄弱而應力最集中部位,萌生的裂紋在應力作用下迅速擴展,導致氫致脆性斷裂的發(fā)生。

根據以上分析,采取以下措施可有效控制斷裂的發(fā)生。

①進(jìn)行脫氫處理。事實(shí)證明,經(jīng)過(guò)不同工藝處理后的齒輪,其力學(xué)性能有較大的差異,即碳氮共滲后直接淬火與低溫回火,碳氮共滲后氫脆增加,鋼的斷面收縮率很低,而脫氫后性能得到有效恢復。

②低溫回火脫氫。試樣經(jīng)過(guò)180℃的長(cháng)時(shí)間低溫回火,斷面收縮率上升,回火8h后斷面收縮率恢復在原來(lái)水平。

③自然時(shí)效脫氫。在室溫放置齒輪一定時(shí)間,過(guò)飽和氫逐漸釋放,氫危害性降低,試驗表明,正火狀態(tài)恢復較快。

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