齿轮轴探伤缺陷显示原因分析
本批齿轮轴共113件，成品经磁粉探伤检测，发现有4件零件在端面齿根位置出现了亮点显示。齿轮轴材料为12Cr2Ni4A，表面进行碳氮共渗，齿底渗层深度≥0.2mm，表面硬度≥60HRC，心部硬度32～42HRC。
1.宏观检查
齿轮轴外观如图1所示，肉眼观察未见异常。
对缺陷零件进行荧光磁粉探伤检查，在局部齿根处可见细微的荧光磁粉显示。缺陷显示位置相同，形貌相似，如图1、图2所示。其余表面均未发现磁痕显示。
图1 齿轮轴宏观形貌
图2 齿轮轴齿端面上的缺陷显示 图3 另一半圆周上无缺陷显示
裂纹在齿轮轴端面的分布位置如图4所示。齿轮轴有4个齿根分别存在1条裂纹，编号分别为1#～4#裂纹。
图4 裂纹在齿轮轴端面的分布位置
1#～4#裂纹外观比较相似，2#裂纹和3#裂纹如图5、图6所示，裂纹由齿根表面沿齿轮轴径向和轴向向内部扩展，沿径向较平直，沿轴向较曲折。其中，1#裂纹的径向长度为0.358mm、轴向长度为1.295mm；2#裂纹的径向长度为0.354mm，轴向长度为1.30mm；3#裂纹的径向长度为0.334mm，轴向长度为1.208mm；4#裂纹的径向长度为0.302mm，轴向长度约为1.20mm。
（a）2#裂纹横端面（径向）形貌 （b）2#裂纹齿根面（轴向）形貌
图5 2#裂纹外观
（a） （b）
图6 3#裂纹横端面（径向）形貌
2.断口观察
人为打开2#、3#裂纹，对裂纹断口进行宏微观观察。
2#、3#裂纹断口形貌相同。裂纹断口宏观较平整、未见明显塑性变形，源区位于齿根端角（齿根与横截面相交的端角）表面、小线源特征；齿根与横截面相交的端角不够圆滑，且加工面较粗糙，形貌如图7、图8所示。裂纹扩展区主要为沿晶形貌，局部为韧窝形貌，如图9、图10所示；人为打断区为韧窝形貌，如图11所示。
（a） （b）
图7 2#裂纹断口及源区位置
图8 3#裂纹断口
（a） （b）
图9 2#裂纹扩展区断口
图10 3#裂纹扩展区断口 图11 3#裂纹人为打断区断口
3.金相检查
沿齿轮轴横剖面制取试样，进行金相检查。齿轮轴渗层区及基体组织均未见异常，如图12～图14所示。按照HB5492—2011《航空钢制件渗碳、碳氮共渗金相组织分级与评定》，渗层区碳化物：1级，残留奥氏体及马氏体1～2级，心部基体组织为回火马氏体+少量铁素体，1～2级。均合格。裂纹外阔里细，裂纹两侧残留奥氏体量略有增加，裂纹处显微组织如图15所示。
（a）50× （b）500×
图12 齿底渗层区组织
图13 心部基体组织（500×） 图14 1#裂纹处组织（100×）
（a）200× （b）500×
图15 1#裂纹处显微组织
4.硬度检测
在齿轮轴横剖面制取的试样上进行显微硬度（渗层深度）和洛氏硬度测量，结果分别如表1～表3所示，齿轮轴的心部硬度约为41HRC，齿底表面硬度约为690HV（按GB/T1172—1999《黑色金属硬度与强度换算值》换算为洛氏硬度为59.6HRC，与技术要求的≥60HRC的下限接近（略低，与裂纹的产生关系不大），无裂纹的齿齿底渗层深度约为0.37mm，满足≥0.2mm要求。可见，齿轮轴的渗层、硬度、组织均符合技术条件要求。然而，裂纹附近齿底的显微硬度明显高于相同位置的非裂纹区，可见裂纹两侧有增碳增氮现象。
表1 齿轮轴齿底近表面硬度检测结果（0.1mm处HV0.5）
测试位置 | 位置1 | 位置2 | 位置3 | 位置4 | 平均值 | HRC |
硬度 | 683.59 | 693.78 | 697.17 | 686.96 | 690.38 | 59.6 |
表2 齿轮轴齿底硬度梯度 （HV0.5）
表3 齿轮轴基体洛氏硬度检测结果 （HRC）
测试位置 | 位置1 | 位置2 | 位置3 | 平均值 |
心部 | 38.66 | 41.52 | 41.60 | 41 |
5.分析与讨论
本批齿轮轴共113件，成品经磁粉探伤检测只发现了4件零件的局部齿根处存在缺陷显示。裂纹的位置和形貌相似。裂纹呈放射状、分布于齿轮轴的一半圆周上，而另一半圆周及其余表面均无缺陷显示。取其中的一件解剖进行原因分析。
齿轮轴裂纹宏观断口较平整，未见明显塑性变形，源区位于齿根端角（齿根与横截面相交的端角）表面、小线源特征。裂纹扩展区主要为沿晶形貌，局部为韧窝形貌，人为打断区为韧窝形貌。上述特征表明齿轮轴裂纹的性质为沿晶脆性裂纹。
齿轮轴的渗层深度、硬度和显微组织均未见异常，也均符合技术条件要求。齿轮轴的基体组织未见异常，心部硬度符合技术条件要求，裂纹附近未发现夹渣物等冶金缺陷。表明齿轮轴裂纹的产生与热处理质量和基体材质关系不大。
齿轮轴显示的4条裂纹呈放射状分布于一半圆周位置（见图4），裂纹较细小，径向长度相近（0.302～0.358mm），基本位于渗层区内（渗层深度约为0.37mm）。裂纹附近的显微硬度明显高于相同位置的非裂纹区，裂纹两侧的显微组织中残留奥氏体量有所增多等表明，裂纹两侧有增碳增氮现象。
齿轮轴的最终热处理工序安排为：碳氮共渗→高温回火→机加工→淬火→负温时效→正温时效→吹砂→精加工。工艺路线中未安排校直工序，但在高温回火工序后要求检测 “各外圆跳动≤0.1mm”。经了解，现场生产中，碳氮共渗+回火后会有个别零件外圆跳动较大，超出公差要求，加工者会挑出来对其进行校直。若校直过程控制不当，会在三点弯曲校直时拉应力最大的下半方外圆上产生裂纹。单从三点弯曲校直的受力来分析，裂纹不应沿着轴向开裂。但是由图5b和图7可见，裂纹源区过渡不够圆滑，加工刀痕粗糙。改变了零件表面的应力分布。加之渗碳层组织的变形能力较差，就在应力较大齿根端角处形成了较细小的裂纹。在随后的淬火工序，为防止原渗碳层表面脱碳，淬火在碳势约为0.88%的保护性气氛中保温约1h，此过程会使已形成的校直裂纹两侧有轻微的渗入现象，导致裂纹两侧的硬度和显微组织发生了改变。因此，该批产品内少量零件上探伤显示的缺陷为校直裂纹。
针对以上问题，我们对热处理工艺进行了细化，要求在淬火前操作者对来件的外圆跳动进行分检。跳动超差严重的直接报废，轻微的进行校直。所有经过校直的零件必须进行去应力退火和磁粉探伤，防止校直缺陷件流出，取得了良好成效。
6.结语
（1）齿轮轴磁粉探伤显示由裂纹引起，裂纹的性质为沿晶脆性裂纹。
（2）齿轮轴裂纹的产生，是因为个别零件碳氮共渗后变形超差，增加了校直工序。而由于校直过程控制不当，所以产生了应力裂纹。
作者：张英
单位：陕西长空齿轮有限责任公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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