簡單分析20CrMnTi鋼齒輪高頻感應(yīng)加熱機熱處理工藝的過程

主動錐齒輪是汽車或動力機械傳遞動力和速度的重要零件，工件材料為20CrMnTi鋼。齒輪采用高頻感應(yīng)加熱機進(jìn)行表面強化，要求共滲表面強化，要求共滲層深度為0.6-0.9mm，表面硬度為59-63HRC，心部硬度33-48HRC，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，齒輪高頻感應(yīng)加熱機熱處理后一定時間或在使用中，齒尖端出現(xiàn)氫脆剝現(xiàn)氫脆剝落現(xiàn)象，或稱齒尖脫皮或脹皮脫落；有的齒輪出現(xiàn)氫脆裂紋和斷裂失效，造成工呢氫脆裂紋和斷裂失效，造成工件報廢。

檢驗發(fā)現(xiàn)，齒輪裝配后在螺紋空刀槽與花鍵連接R1處發(fā)生斷裂，斷口齊平，無氧化色澤，無塑性變形，呈結(jié)晶狀脆性斷裂。從斷口微觀觀察發(fā)現(xiàn)，晶面呈現(xiàn)微細(xì)的爪狀撕裂線，裂紋一方面沿晶擴展，一方面又沿馬氏體束延伸，呈現(xiàn)既沿晶又穿晶的混合料裂形貌，并有較多的二次裂紋，呈典型的氫脆斷裂特征。金相檢驗發(fā)現(xiàn)，基體組織為低碳馬氏體組織，裂紋沿晶粒邊界由外向內(nèi)發(fā)展。斷裂齒輪殘留應(yīng)力測試表明，工件表商為壓應(yīng)力，內(nèi)部為拉應(yīng)力，在工件螺紋根部尖角處和螺紋與花鍵連接過渡R1處是齒輪應(yīng)力集中部位，其殘留應(yīng)力值很高，因而造成工件在此處斷裂；電子掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)，在工件高頻感應(yīng)加熱機熱處理后，材料夾雜物較多，并且出現(xiàn)Cr、Mn元素一定程度的偏析缺陷。

通過上述檢驗分析，可以確定齒輪斷裂屬于氫致斷裂的靜載疲勞斷裂；齒輪斷裂失效原因是由于高頻感應(yīng)加熱機熱處理時氫氣滲入，在工件裝配時鎖緊力和工件殘留應(yīng)力作用下，氫氣滲入應(yīng)力集中區(qū)域并聚集，造成氫含量高的部位（表面與次表面）出現(xiàn)微裂紋。該區(qū)域同時存在夾雜、刀痕、尖角缺陷，是工件強度最薄弱而應(yīng)力最集中處。萌生裂紋在應(yīng)力作用下迅速擴展，導(dǎo)致氫致脆性斷裂失效。

根據(jù)以上分析，提出防止齒輪氫脆斷裂工藝改進(jìn)措施如下：(1)脫氫處理。工件經(jīng)不同高頻感應(yīng)加熱機熱處理工藝處理后，氫脆嚴(yán)重，鋼的斷面收縮率很低，脫氫處理后，工件性能恢復(fù)，重新加熱后工件不再出現(xiàn)氫脆缺陷。(2）低溫加熱脫氫。試件經(jīng)180aC不同時間加熱處理氫氣析出情況可以看出，隨加熱時間延長，斷面收縮率上升，加熱8h后斷面收縮率恢復(fù)原水平；另外，熱軋態(tài)組織析出氫較慢，說明氫脆與原始組織有關(guān)。(3)自然時效脫氫。含氫工件在室溫放置，過飽和氫逕飽和氫逐漸釋放析出，其氫脆危害減輕。從兩種不同高頻感應(yīng)加熱機工藝處理狀態(tài)工件，經(jīng)3個月和6 個月后斷面收縮率恢復(fù)情況，可以看出，加熱恢復(fù)較快，3個月后已基本恢復(fù)；熱軋態(tài)6個月后斷面收縮率明顯恢復(fù)。該方法表明，自然時效消除氫脆作用是顯著的。