西南大学学报 (自然科学版)  2018, Vol. 40 Issue (12): 179-182.  DOI: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.12.027
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    吴旻
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  • W6Mo5Cr4V2齿轮刀具断裂原因分析    [PDF全文]
    吴旻     
    重庆工业职业技术学院, 重庆 401120
    摘要:W6Mo5Cr4V2钢制齿轮刀具在使用中发生断裂,对断裂的齿轮刀具进行化学成分分析、硬度检测、断口分析、非金属夹杂物检验以及金相组织检验.检测结果表明:刀具的材质正常,断裂类型是脆性断裂,断裂原因是刀具金相组织中碳化物分布异常,呈网状分布,使刀具的力学性能中的强度、冲击韧性降低而脆性增大,导致刀具使用中在工作应力作用下发生脆性断裂.
    关键词齿轮刀具    断裂    金相组织    网状碳化物    

    W6Mo5Cr4V2钢属于钨钼系高速工具钢,是目前国内使用比例较高的通用高速工具钢之一,主要用于制造中速或高速切削工具,特别是齿轮刀具、拉刀等复杂刀具,主要使用高速工具钢制造.高速工具钢经过科学的热处理后,可获得高硬度、高耐磨性和高热硬性,以满足刀具工作时的性能要求[1].

    某企业生产的齿轮刀具,材质为通用高速钢W6Mo5Cr4V2,其加工工艺路线为:原材料下料→锻造→车削→齿加工→孔加工→槽加工→热处理→精磨基准面、孔→精磨齿,该齿轮刀具在工作时出现了断齿,为找到发生断齿的原因,我们对该齿轮刀具进行了各项检验及分析.

    1 断裂齿轮刀具检测 1.1 化学成分检测

    将该齿轮刀具取样进行化学成分检测,检测结果符合《GB/T9943-2008高速工具钢》的要求,结果见表 1,可见齿轮刀具的材质正常.

    表 1 齿轮刀具的化学成分(质量分数)
    1.2 断齿处宏观检验

    图 1所示,齿轮刀具断裂的位置位于齿根处,断裂的齿整个从齿根处完全断掉,断落的齿已经不见.凭肉眼观察断口,可见断口呈灰色,断口上可见一条沿齿的纵向延伸的凹槽,整个断口均比较平坦、光滑,断口上没有观察到疲劳纹路,从断口的宏观观察可以判断裂纹扩展速度很快,符合脆性断裂的形貌特征.

    图 1 断口处的宏观形貌
    1.3 断口电子扫描检验

    把齿轮刀具上断口部分用线切割的方式切取,用EPMA-1720电子探针进行断口形貌扫描分析.

    断口微观形貌如图 2图 3,断口上可以看到沿断口纵向延伸的凹槽,从断口形貌分析,断裂呈现脆性断裂的准解理形貌特征,未观察到明显裂纹源区、裂纹扩展区及最后瞬断区,可以说明断裂速度很快,属于脆性断裂的性质特征.

    图 2 断口微观形貌
    图 3 断口上的凹槽及凹槽两侧的微观形貌
    1.4 金相组织及硬度检测

    分别在齿轮刀具断裂的齿根部位和未发生断裂的齿部取样,对两个部位试样均进行非金属夹杂物评级、金相组织检验、晶粒度检测以及硬度检测.

    夹杂物等级按照《GB/T10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定》进行评级,两试样测定结果均为1级,夹杂物含量属正常范围.

    对该齿轮刀具的齿部进行硬度测试,平均硬度结果为63.5HRC.

    对试样的金相组织进行检验,可见该齿轮刀具的金相组织主要是回火马氏体且有网状碳化物存在,其中碳化物按照《GB/T14979-1994钢的共晶碳化物不均匀度评定法》,评级结果为网状5~6级,可见金相组织中的碳化物不均匀程度比较严重,如图 4图 5图 6.

    图 4 断齿试样中的网状碳化物
    图 5 断齿试样中网状碳化物的高倍形貌
    图 6 未断齿试样的网状碳化物

    按照《GB/T6394-2002金属平均晶粒度测定方法》对2试样的晶粒度进行检测,测定出显微晶粒度级别数为9级.

    2 检验结果与分析

    从各项检测结果看,该齿轮刀具的材质正常,断裂类型属于脆性断裂(崩刃),断裂速度很快.该齿轮刀具金相组织的缺陷在于碳化物呈网状分布(碳化物偏析),评级结果为网状5~6级,属于较严重的碳化物分布不均匀[2].

    经试验和生产实践证明,当齿轮刀具中的碳化物不均匀度大于5级时,刀具基本都是因崩刃或落齿而失效[3].

    该齿轮刀具中的网状碳化物的来源是由于该刀具是用传统的铸、锻工艺生产的高速工具钢,其铸态组织中存在莱氏体共晶网,这些共晶碳化物尺寸大而且很稳定,无法通过热处理来消除,只能通过反复锻造,达到较大的锻造比才能将其破碎,从而获得分布比较均匀的碳化物[4].而对于截面尺寸较大的高速钢,由于受形变量的限制,高速钢金相组织中就会存在较严重的碳化物偏析[5].

    高速钢是重要的刀具材料,然而用传统工艺生产的高速钢难以避免组织中的碳化物偏析现象,特别是对于大截面刀具,这一现象尤为突出.目前通行的解决办法是采用粉末冶金技术生产出的无碳化物偏析的粉末高速钢来替代传统工艺生产的高速钢[6],粉末冶金技术对于高速钢的生产是一次根本性的变革,用粉末冶金技术生产的高速钢,其中的碳化物尺寸小而且呈弥散分布[7],明显改善了高速钢的使用性能,从而扩展了高速钢的应用范围[8].

    3 结论

    该齿轮刀具金相组织中网状分布的碳化物对刀具材料金属基体的连续性起了割裂的作用,因而降低了刀具的力学性能,主要是强度及韧性降低,导致该齿轮刀具在工作应力作用下发生齿部断裂(崩刃)而失效.

    参考文献
    [1] 孙元辉, 孙易安. 热处理工艺对高速钢组织性能的影响[J]. 热加工工艺, 2011, 40(18): 156-159. DOI:10.3969/j.issn.1001-3814.2011.18.047
    [2] 赵先锐, 冯尚申, 李勤涛, 等. 高速钢刀具常见材料失效典型案例分析[J]. 热加工工艺, 2013, 42(18): 189-191.
    [3] 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: 386-397.
    [4] 迟宏宵, 马党参, 占礼春, 等. 热处理对高速钢W6Mo5Cr4V3Co8组织和性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2012, 33(12): 105-109.
    [5] 王启明, 成国光, 黄宇. M2高速钢大尺寸碳化物的形貌特征及析出机理[J]. 钢铁, 2018, 53(1): 65-71.
    [6] 戚正风, 任瑞铭. 国内外刀具材料发展现状[J]. 金属热处理, 2008, 33(1): 15-20. DOI:10.3969/j.issn.1673-4971.2008.01.004
    [7] 厉鑫洋, 车洪艳, 林同伟, 等. 热处理对粉末冶金高速钢组织与性能的影响[J]. 金属热处理, 2016, 41(6): 147-150.
    [8] 王丽仙, 葛昌纯, 郭双全, 等. 粉末冶金高速钢的发展[J]. 材料导报, 2010, 24(S5): 459-462.
    Analysis of the Causes for Fracture of the W6Mo5Cr4V2 Gear Cutter
    WU Min     
    Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China
    Abstract: The W6Mo5Cr4V2 steel gear cutter is prone to fracture in use. In an experiment reported in this paper, chemical composition analysis, hardness test, fracture analysis, non-metallic inclusion test and metallographic examination of the fractured gear cutter were carried out. The results showed that the material of the cutter was normal, and its fracture type was brittle fracture. The abnormal network-like distribution of carbides in the metallographic structure of the cutter, which reduced the strength and impact toughness and increased the brittleness of the mechanical properties, led to the brittle fracture of the gear cutter under the working stress.
    Key words: gear cutter    fracture    metallographic organization    network-like carbide    
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