20CrMnTiH 齿轮轴断裂原因分析刘 健, 陈宏豫， 寇志贤, 李春玉（承德建龙特殊钢有限公司技术处，河北 兴隆 067201）摘要：采取宏观形貌分析、化学成分分析、金相分析等手段对 20CrMnTi 齿轮轴断裂原因分析，结果表明，热处理后基体强度偏低和相对于承载能力而言工作应力较大是导致齿轮轴发生快速脆性断裂的主要原因。关键词：齿轮轴、断裂分析、组织20CrMnTiH Gear Axle Break Analysis of CausesLIUJian,CHENHongyu,KOUZhixin,LiChunyu(Chengde long special steel co., Ltd.Technical Department, Hebei Xinglong 067201)Abstract: In this article use macro-morphology analysis, chemical analysis, microstructure analysis by means of the gear shaft 20CrMnTi Failure Analysis，Last show the matrix strength after heat treatment relative to the carrying capacity of low and work stress in terms of larger gear shaft leading to the main reason of rapid brittle fracture.Key words: Gear shaft Fracture Analysis Organization某公司用 20CrMnTiH 作为农用三轮车变速箱上的四轮曲轴齿轮主选材，安装该批齿轮轴的三轮车发生多起断轴现象，断轴时行使时间大约 100 小时。齿轮轴加工工艺：圆钢（直径为 45mm）经冷剪下料 反射炉加热模锻 正火 机加工 渗碳淬火 180-200 回火 喷砂 磨加工（花键外圆） 尺寸检验合格发货。设计齿轮轴渗碳硬化层厚度 0.6-1.0mm,齿面硬度58-64HRC，心部组织硬度 33-40HRC。1 试样的制备及试验方法对发生断裂的齿轮轴线切割取样，宏观检测端口表面形状，进行力学性能、化学成分和金相组织分析，找出发生断裂的原因。2 试验结果分析2.1 断裂齿轮轴成分分析化学成分见表 1表 1 材料化学成分分析结果及标准规定对照（W/%）Tab1 Chemical composition analysis and control standard requirements （W/%）C Si Mn P S Cr Ni Cu Ti四轴 0.21 0.24 0.88 0.0200.0121.07 0.0220.0140.05920CrMnTiH 标准0.17-0.230.17-0.370.80-1.150.0350.0351.00-1.350.300.250.04-0.10由表 1 看出：断裂齿轮轴的化学成份符合 GB/T5216-2004 中对 20CrMnTiH 钢的规范要求。2.2 断裂齿轮轴力学性能在轴的表层和心部位置制取 5mm 拉伸试样进行常温拉伸力学性能试验，试验结果见表 2，由表 2 知，材料心部屈服强度、断后伸长率和断面收缩率略低于表层，但相差不大。参考 GB/T3077 对 20CrMnTi 钢淬火和低温回火后的力学性能要求，可看出齿轮轴基体热处理后的强度远低于该材料热处理后的参考值。表 2 力学性能试验结果与 20CrMnTi 参考值对照表Tab2 Mechanical performance test results and reference tables 20CrMnTi抗拉强度RM（MPa）规定费比例延伸强度Rp0.2（MPa）断后伸长率A（%）断后面缩率Z（%）表层 860 605 21.5 66.5四轴心部 860 565 20.0 60.5GB/T3077 参考值 1080 835 10 452.3 断裂齿轮轴断口宏观形貌分析齿轮轴断裂位置及宏观断口形貌见图 1，为横向断裂，断裂面位于花键齿起始的变截面台阶处。肉眼观察，断口上有较粗糙的辐射状花样，根据辐射状花样的收敛位置看出断裂方向，如图中箭头所示，断裂始自断齿变截面台阶根脚线开始，单向扩展直至断裂。断口呈闪晶状金属光泽，为宏观脆性断口。宏观形貌成略微漩涡形态的纤维放射状，四轴自表面向内扩展。宏观端口分析表明，齿轮轴断口是以扭曲为主的应力作用下自轴齿变截面台阶根脚线表面应力集中位置开始的脆性断口。图 1 齿轮轴断裂位置和断口宏观形貌Fig1 Gear shaft fracture location and macro-fracture morphology 2.4 断裂齿轮轴微观形貌分析齿轮轴微观断口形态如图 2 所示，SEM 下高倍观察，断口为河流状穿晶解理和准解理断裂形态。根据河流状花样的形貌也可以看出，断裂起源于轴齿变截面台阶根脚线表面处，该区磨损严重，但从局部仍可以看到清晰的断口特征，为穿晶准解理断口，未见原始裂纹、沿晶断口、异常夹杂物等缺陷及疲劳断口特征。扩展区均为穿晶解理和准解理脆性断口。微观断口分析表明，齿轮轴微观断口穿晶解理和准解理脆性断口,属于一次性快速脆性断口。 扩展区为穿晶解理断口 1000图 2 齿轮轴微观断口分析Fig2 Micro-fracture of the gear shaft2.5 断裂齿轮轴组织分析2.5.1 低倍组织断口附近截取并制备横截面低倍试样，观察的低倍组织形貌如图 3 所示，参考GB/T1979-01 对低倍组织缺陷进行评级，齿轮轴中心疏松 1.5 级，有轻微枝晶偏析，未见明显的锭型偏析或点状偏析，也未见裂纹、残余缩孔等其他低倍组织缺陷。图 3 齿轮轴低倍组织分析 Fig3 Low magnification of the gear shaft2.5.2 金相组织及显微维氏硬度在与断裂面相对称一侧同等位置制取纵截面金相试样，观察渗碳层形貌并进行显微维氏硬度测试（自表面向深部方向测试） ，渗碳层形貌及显微维氏硬度-深度曲线（如图 5）所示，看出：轴齿变截面接近 90 度根脚线无明显的 R 圆角，存在较大的应力集中（见图4） 。根据渗碳层形貌及显微维氏硬度测试曲线（见图 5）看出，渗碳硬化层厚度约 0.9mm,符合设计要求。图 4 变截面台阶处的形状和渗碳区（与轴断裂区形状尺寸堆成的部位）Fig4 Variable cross-section shape and carburization step edges District图 5 渗碳层形貌与显微维氏硬度-深度曲线Fig5 Morphology and microstructure of carburized layer hardness - depth curve试样表面渗碳层、中部及心部区域的微观组织形貌如图 6、7、8 所示，渗碳层为低温回火马氏体+碳化物+残余奥氏体；1/2 半径处为回火贝氏体组织；心部为回火贝氏体+块状铁素体组织。各区域的显微维氏硬度测试结果见表 3，如果根据 GB/T1172 由 HV 测试结果估算洛氏硬度则心部组织的洛氏硬度大约为 29-31HRC，低于设计要求值。毛图 6 边部组织 300Fig6 Edge organizations图 7 1/2 半径处组织 300Fig7 1 / 2 radius organization图 8 心部组织 750Fig8 Department of heart tissue表 3 显微维氏硬度测试结果（HV0.2）Table 3 Micro Vickers hardness test results（HV0.2）表层 中部 心部1 2 3 1 2 3 1 2 3724685666328321315277293 2783 断轴结论3.1 齿轮轴的化学成分符合 GB/T5216-2004 钢规范要求，材料低倍组织基本正常。3.2 齿轮轴渗碳层厚度和渗碳层硬度符合设计要求，但是心部组织为回火贝氏体+块状铁素体，组织硬度低于设计要求，材料热处理后强度偏低。3.3 齿轮轴是在较大的扭曲应力为主的应力作用下在边界面台阶直角根脚线表面应力集中处其形成的一次性快速脆性断裂。3.4 热处理后基体强度偏低和相对于承载能力而言工作应力较大是导致齿轮轴发生快速脆性断裂的主要原因。4 改进措施及改进后效果齿轮轴加工工艺使用多年，较为成熟，没有问题。对此次使用的淬火液进行检查发现淬火液存在碳化现象，已明显老化（属超期使用） ，冷却能力明显不足。更换冷却液后小批量投入生产，随即取两根齿轮轴进行性能检验见表 4表 4 力学性能试验结果与 20CrMnTi 参考值对照表Tab4 Mechanical performance test results and reference tables 20CrMnTi抗拉强度RM（MPa）规定费比例延伸强度Rp0.2（MPa）断后伸长率A（%）断后面缩率Z（%）表层 1200 885 10.5 46四轴心部 1153 845 10.9 50GB/T3077 参考值 1080 835 10 45由表 4 知，材料心部屈服强度、断后伸长率和断面收缩率均满足 GB/T3077 对20CrMnTi 钢淬火和低温回火后的力学性能要求，可看出更换淬火液后齿轮轴基体热处理后的强度高于该材料热处理后的参考值。5 预防措施5.1 齿轮轴的设计、加工应考虑足够的消除应力集中措施，尽量减轻应力集中产生危害的可能性。5.2 严格执行热处理工艺，对影响产品质量的关键点应重点关注。作者信息：刘健（1965-）男，陕西省周至县人，高级工程师，东北大学毕业，主要从事金属材料加工工艺及质量控制研究；电话：0314-5316229；E-mail：liujejianlong.com