齒輪是汽車重要組成部件，由于在高速下運轉(zhuǎn)，齒輪表面的嚙合部位必須具有較高的強度和耐磨性，齒根由于不斷地承受重復(fù)載荷，必須具備良好的彎曲疲勞性能，以避免出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致材料斷裂。研究表明，脫碳是影響金屬材料旋彎疲勞性能的重要因素，旋彎疲勞性能是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此研究試驗材料的脫碳行為和旋彎疲勞性能非常有必要。
本文采用熱處理爐對 20CrMnTi 齒輪鋼進(jìn)行表面脫碳試驗，分析不同加熱溫度對試驗鋼脫碳層深度的變化規(guī)律; 采用 QBWP - 6000J 型簡支梁疲勞試驗機對試驗鋼進(jìn)行旋彎疲勞測試，測定試驗鋼疲勞性能，同時分析脫碳對試驗鋼疲勞性能的影響，為實際生產(chǎn)中改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提升產(chǎn)品質(zhì)量等提供合理參考。
一、試驗材料及方法
試驗材料為某單位提供的 20CrMnTi 齒輪鋼，主要化學(xué)成分如表 1 所示。脫碳試驗: 將試驗材料加工成 Ф 8 mm ×12 mm 的圓柱試樣，表面要光亮無污漬。將熱處理爐分別升溫至 675 ℃、700 ℃、725 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃，放入試樣并保溫 1 h，然后空冷至室溫。熱處理后的試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋后，用4% 的硝酸酒精溶液侵蝕，采用金相顯微鏡觀察試驗鋼脫碳層情況，測量不同溫度下脫碳層深度。旋彎疲勞試驗: 將試驗材料按要求加工兩組旋彎疲勞試樣，第一組不進(jìn)行脫碳試驗，第二組進(jìn)行不同溫度下的脫碳試驗。采用旋彎疲勞試驗機，對兩組試驗鋼進(jìn)行旋彎疲勞測試，測定兩組試驗鋼的疲勞極限，對比兩組試驗鋼的疲勞壽命，采用掃描電鏡對疲勞斷口進(jìn)行觀察，分析試樣斷裂原因，探究脫碳對試驗鋼疲勞性能的影響。
二、試驗結(jié)果與分析
加熱溫度對脫碳的影響
不同加熱溫度下脫碳組織形貌如圖 1 所示。從圖中可以看出，當(dāng)溫度為 675 ℃時，試樣表面沒有出現(xiàn)脫碳層; 當(dāng)溫度升到 700 ℃時，試樣表面開始出現(xiàn)脫碳層出現(xiàn)，為較薄的鐵素體全脫碳層; 隨著溫度升高到 725 ℃，試樣表面全脫碳層厚度明顯增加; 750 ℃全脫碳層厚度達(dá)到最大值，此時鐵素體晶粒較為清晰、粗大; 當(dāng)溫度升到 800 ℃ 時，全脫碳層厚度開始明顯減小，其厚度降為 750 ℃時的一半; 當(dāng)溫度繼續(xù)升到在 850 ℃ 及以上時，試驗鋼全脫碳層厚度持續(xù)減少，半脫碳層厚度開始逐漸增加，直至全脫碳層形貌全部消失，半脫碳層形貌逐漸清晰。可見，全脫碳層厚度隨溫度的升高呈先增后減的趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于試樣在加熱過程中同時進(jìn)行著氧化和脫碳行為，只有當(dāng)脫碳速度快于氧化速度時才會出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。開始加熱時，全脫碳層厚度隨溫度的升高而逐漸增加，直到全脫碳層厚度達(dá)到最大值，此時繼續(xù)升溫，試樣氧化速度較快，超過脫碳速度，抑制了全脫碳層的增加，導(dǎo)致其出現(xiàn)下降的趨勢。可見，675 ～ 950 ℃ 范圍內(nèi)，750 ℃時全脫碳層厚度值最大，850 ℃ 時全脫碳層厚度值最小，因此，試驗鋼加熱溫度建議為 850 ℃。
相比半脫碳層，全脫碳層厚度對材料性能有更加嚴(yán)重的負(fù)面影響，它會大大降低材料的力學(xué)性能，如降低強度、硬度、耐磨性以及疲勞極限等，還會增加裂紋敏感度、影響焊接質(zhì)量等。因此，控制全脫碳厚度對提升產(chǎn)品性能意義重大。圖 2 為全脫碳層厚度隨溫度的變化曲線，更加清晰地展示了全脫碳厚度的變化，從圖中可以看出，在 700 ℃時全脫碳層厚度只有 34 μm 左右; 隨著溫度升高到725 ℃，全脫碳層厚度明顯增加，為 86 μm，比 700 ℃時全脫 碳層厚度的 2 倍還多; 當(dāng)溫度升高到 750 ℃時，全脫碳層厚度達(dá)到最大值 120 μm; 隨著溫度繼續(xù)升高，全脫碳層厚度開始大幅下降，800 ℃ 時降到 70 μm，到 850 ℃時降到最小值 20 μm 左右。
脫碳對旋彎疲勞性能的影響
為研究脫碳對彈簧鋼疲勞性能的影響，進(jìn)行兩組旋彎疲勞試驗，第一組為不脫碳情況下直接進(jìn)行疲勞試驗，第二組是進(jìn)行完脫碳行為后在同一應(yīng)力水平下( 810 MPa) 進(jìn)行疲勞測試，脫碳工藝為 700 ～ 850 ℃下保溫 1 h。
第一組試樣的疲勞壽命如表 2 所示。從表 2 可以看出，在不脫碳的情況下，試驗鋼僅在 810 MPa 應(yīng)力水平下循環(huán)次數(shù)為 107 次，試樣未發(fā)生斷裂; 當(dāng)應(yīng)力水平超過 830 MPa 以上時，部分試樣開始出現(xiàn)斷裂; 當(dāng)應(yīng)力水平在 850 MPa 以上時，疲勞試樣全部斷裂。
為測定疲勞極限，特采用成組法測定試驗鋼疲勞極限，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，測定試驗鋼疲勞極限約為 760 MPa; 為表征試驗鋼不同應(yīng)力下的疲勞壽命情況，特繪制出 S - N 曲線，如圖 3 所示。從圖 3 中可以看出，不同應(yīng)力水平對應(yīng)不同的疲勞壽命，當(dāng)疲勞壽命為 7 的時候，對應(yīng)循環(huán)次數(shù)為 107 ，也就說明此條件下試樣均為通過狀態(tài)，其對應(yīng)的應(yīng)力值可近似看作疲勞強度值，即 760 MPa。可見，S - N 曲線對判定材料的疲勞壽命具有重要的參考價值。
第二組試樣的疲勞壽命如表 3 所示。從表 3 可以看出，試驗鋼經(jīng)不同溫度脫碳處理后，循環(huán)次數(shù)明顯減少，均超過 107 ，疲勞試樣全部斷裂，疲勞壽命大大降低。結(jié)合上述脫碳層厚度隨溫度的變化曲線可以看出，750 ℃ 時脫碳層厚度最大，對應(yīng)的疲勞壽命值最低。850 ℃ 時脫碳層厚度最小，對應(yīng)的疲勞壽命值相對較高。可見，脫碳行為大大降低了材料的疲勞性能，且脫碳層越厚，疲勞壽命越低。
疲勞斷口分析
采用掃描電鏡對試樣疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖 4 所示。圖 4(a) 為試樣裂紋源區(qū)，圖中可以看出明顯的疲勞弧線，根據(jù)疲勞弧線找到疲勞源，可見，裂紋源為“魚眼狀”的非金屬夾雜物，夾雜物處易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋; 圖 4(b) 為裂紋擴展區(qū)形貌，可見明顯的疲勞條紋，呈河流狀分布，屬于準(zhǔn)解理斷裂，隨著裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致斷裂。
為判定圖 4(a) 中夾雜物的類型，特對其進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖 5 所示。可以看出，非金屬夾雜物主要為 Al2O3夾雜物，說明該夾雜物是引起夾雜物起裂的主要裂紋源。
三、結(jié)論
( 1) 將加熱溫度定位 850 ℃ 可以獲得最小的脫碳層厚度，以減小對疲勞性能的影響。
( 2) 試驗鋼旋彎疲勞極限為 760 MPa。
( 3) 試驗鋼起裂于非金屬夾雜物，主要為 Al2O3 夾雜物。
( 4) 脫碳嚴(yán)重降低試驗鋼的疲勞壽命，脫碳層越厚，疲勞壽命越低。
參考文獻(xiàn)略.