50Mn钢齿圈断齿原因分析

50Mn钢齿圈断齿原因分析
浦红;刘晶;方政;王仲琨
【摘要】50 Mn钢齿圈在使用很短时间后即发生断齿失效，为确定齿圈断裂的原因，对其进行了化学成分分析、宏观检验、硬度测试、断口分析、金相检验。

结果表明：该50 Mn钢齿圈的化学成分、外径面硬度等指标符合技术协议要求。

齿部淬硬层可见多条裂纹，淬硬层深度和表面硬度不均匀，且不符合要求。

齿圈齿部断齿是由淬硬层裂纹引起的疲劳开裂，失效原因与其齿部热处理工艺控制不当有关。

%The 50Mn steel gear ring suffered broken teeth after a short service time.In order to find out the fracture causes,the gear ring was analyzed from the aspects of chemical composition,macro examination,hardness testing,fracture analysis and metallographic examination.The results show that the indexes of the 50Mn steel gear ring,such as chemical compositions,external surface hardness and so on,were up to the requirements of the technical agreement.There were many cracks in the hardened layer of the Gear.The depth and surface hardness of the hardened layer were not homogeneous,and not in accordance with the standard.The cause of broken teeth of the gear ring was the fatigue cracking caused by cracks in the hardened layer,which was related to improper heat treatment of the gear ring.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2016(052)007
【总页数】4页(P499-502)
【关键词】50 Mn钢;齿圈;断裂;淬硬层;裂纹;热处理
【作者】浦红;刘晶;方政;王仲琨
【作者单位】马钢股份有限公司技术中心，马鞍山 243000;马钢股份有限公司技术中心，马鞍山 243000;马钢股份有限公司技术中心，马鞍山 243000;马钢股份有限公司技术中心，马鞍山 243000
【正文语种】中文
【中图分类】TG142.41
某厂生产的回转支承在服役较短时间后,发生内圈断齿失效。

该齿圈材料为50Mn 钢，齿圈由环件加工成回转支承，齿面热处理工艺为中频淬火+低温回火，加工齿圈的环件执行该厂技术协议。

依据JB/T 2300-2011《回转支承》的规定，齿面淬火部位的硬度为50～60 HRC。

该齿圈模数不详，有效硬化层深度要求为4 mm。

为了查明齿圈失效的原因，提高齿圈质量,延长齿圈服役时间,对断齿齿圈进行了化学成分分析、宏观检验、硬度测度等一系列理化检验和分析。

局部断齿部位在齿圈的同一侧，宏观形貌如图1所示。

1.1 取样
在断齿齿圈上取样进行化学成分分析、宏观检验、硬度测试、金相检验，取样位置见图1。

1.2 化学成分分析
化学成分的光谱分析结果见表1，结果表明该50Mn钢齿圈的化学成分符合技术协议的要求。

1.3 宏观检验
齿圈横断面的宏观组织形貌见图2。

未断齿处齿端淬火区可见多条垂直向内的小裂纹，其他部位低倍组织未见异常。

1.4 硬度测试
对齿圈断面进行布氏硬度测试，测试结果见表2。

结果表明加工齿圈的环件硬度满足技术协议的要求。

1.5 断口分析
1.5.1 宏观断口
断齿处断裂起源于齿面一侧表面，向内扩展，终止于齿面另一侧表面，断口宏观形貌见图3。

1.5.2 微观断口
在断齿处取样进行扫描电镜断口分析，取样位置见图3。

断裂起源于齿面一侧表面，断口的宏观及微观形貌如图4所示。

断口裂纹起源区A处的微观形貌为沿晶断裂，见图4(b)。

两侧齿面近表层的B处为脆性断裂区，微观形貌为沿晶断裂+疲劳断裂[1]，见图4(c)。

断口中间疲劳扩展区C处可见疲劳辉纹，见图4(d)。

1.6 金相检验
在齿圈未断齿处和断齿处取样进行金相检验。

未断齿处的金相检验结果表明，齿面表面淬火区内可见多条垂直向内的裂纹，最长约4.219 mm，裂纹内未见非金属夹杂物，裂纹处组织未发现脱碳现象，见图5。

齿面表面淬火区深度不均匀，深度范围为2.4～4.2 mm，见图6。

齿面淬硬层和基体的低倍组织形貌见图7，图7中由表及里4个区域的高倍组织形貌见图8。

淬硬层的显微组织依次为马氏体[2](图7中A处)、马氏体+托氏体(图7中B处)、托氏体+少量铁素体(图7中C 处)，如图8(a)～(c)所示。

基体的显微组织(图7中D处)为细珠光体+铁素体，晶粒度细于6级，见图8(d)。

选取齿面淬硬层最深和最浅的区域，以及齿端淬火区发黑和发白的区域，由表及里进行显微硬度梯度试验，结果如图9所示，淬硬层深度及硬度范围见表3，结果可见齿面表层淬硬层硬度分布不均匀。

断齿处的金相检验结果如图10所示，断裂起源于淬硬层表面，起源处附近有裂纹。

根据技术协议要求，对试样进行了非金属夹杂物检验，结果如表4所示，结果显
示该齿圈的非金属夹杂物级别符合要求。

该齿圈的化学成分、外径面表面硬度、低倍组织、非金属夹杂物、晶粒度均符合技术协议的要求，因此加工齿圈的环件为合格产品。

环件加工成回转支承，齿部需进行热处理，工艺为中频淬火+低温回火。

中频淬火的主要工作原理是感应加热表面淬火，利用电磁感应、集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理，使工件表面快速加热并快速冷却的热处理工艺。

表面淬火可以使钢材获得高硬度、高强度，但淬火后钢件内部有较大的淬火内应力，需进行回火处理来消除。

通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的韧度及疲劳强度，并可获得良好的综合力学性能以满足不同的使用要求。

齿圈进行中频淬火处理，只有采用合适的淬火频率、感应器、加热功率、时间及冷却参数，才可以得到齿顶、齿根较为均匀的淬硬层深度[3]。

合适的回火温度及回
火时间可以使齿部表面硬度保持在恰当的范围，以获得良好的综合力学性能。

对齿圈断齿部位进行断口分析可知，断裂源于齿面表层，起裂处断口形貌为沿晶断裂，齿面两侧淬硬层呈脆性断裂特征，形貌为沿晶断裂+疲劳断裂，内部为疲劳断裂。

齿部淬硬层深度不均匀，在0.8～3.2 mm，低于有效硬化层深度为4 mm的要求。

齿圈淬硬层表层硬度不均匀[4]，为489～766 HV(相当于48.4～63 HRC)，超出
标准要求的上、下限(50～60 HRC)。

因为淬硬层表面硬度不均匀，且淬硬层深度不符合要求，所以齿部淬火可能存在淬
火频率偏高、淬火加热时间短等情况。

淬硬层表层硬度超过标准上限，可能存在回火温度偏低或回火时间不足等情况。

齿圈齿部淬硬层硬脆，内应力大，导致综合力学性能下降。

所以服役时，在外力作用下齿圈齿面淬硬层易发生脆断，使淬硬层出现多条裂纹。

在交变力作用下，裂纹向内扩展，导致齿圈发生齿部断齿。

50Mn钢齿圈发生断齿是淬硬层脆断引起的疲劳开裂[5]，淬硬层裂纹产生原因与其齿部热处理工艺控制不当有关。

(1) 该50Mn钢齿圈的化学成分、外径面硬度、显微组织、非金属夹杂物、晶粒度均符合技术协议要求，加工齿圈的环件为合格产品。

(2) 齿圈淬硬层表面硬度不均匀，且淬硬层深度不符合要求，齿部可能存在淬火频率偏高、淬火加热时间短等情况。

(3) 淬硬层表层硬度超标准上限，可能存在回火温度偏低或回火时间不足等情况。

(4) 50Mn钢齿圈齿部断齿是淬硬层裂纹引起的疲劳开裂，失效原因与其齿部热处理工艺控制不当有关。

【相关文献】
[1] 胡世炎.机械失效分析手册[M].成都:四川科学技术出版社,1999: 93-154.
[2] 上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海:上海科学技术文献出版社,1987: 276-295.
[3] 朱中明,赵慧敏，朱益民，等.47Mn钢齿圈的感应淬火[J].热处理,2005,20(4): 32-34.
[4] 姜涛，刘高远，张卫方，等.行星齿轮减速器总成失效分析[J].理化检验-物理分册,2005,41(Z1): 216-219.[5] 王春亮，陈华峰，沙菲,等.轴承齿圈开裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2012,48(7): 468-471.。