简单分析20CrMnTi钢齿轮高频感应加热机热处理工艺的过程

主动锥齿轮是汽车或动力机械传递动力和速度的重要零件，工件材料为20CrMnTi钢。齿轮采用高频感应加热机进行表面强化，要求共渗表面强化，要求共渗层深度为0.6-0.9mm，表面硬度为59-63HRC，心部硬度33-48HRC，生产中发现，齿轮高频感应加热机热处理后一定时间或在使用中，齿尖端出现氢脆剥现氢脆剥落现象，或称齿尖脱皮或胀皮脱落；有的齿轮出现氢脆裂纹和断裂失效，造成工呢氢脆裂纹和断裂失效，造成工件报废。

检验发现，齿轮装配后在螺纹空刀槽与花键连接R1处发生断裂，断口齐平，无氧化色泽，无塑性变形，呈结晶状脆性断裂。从断口微观观察发现，晶面呈现微细的爪状撕裂线，裂纹一方面沿晶扩展，一方面又沿马氏体束延伸，呈现既沿晶又穿晶的混合料裂形貌，并有较多的二次裂纹，呈典型的氢脆断裂特征。金相检验发现，基体组织为低碳马氏体组织，裂纹沿晶粒边界由外向内发展。断裂齿轮残留应力测试表明，工件表商为压应力，内部为拉应力，在工件螺纹根部尖角处和螺纹与花键连接过渡R1处是齿轮应力集中部位，其残留应力值很高，因而造成工件在此处断裂；电子扫描电镜检查发现，在工件高频感应加热机热处理后，材料夹杂物较多，并且出现Cr、Mn元素一定程度的偏析缺陷。

通过上述检验分析，可以确定齿轮断裂属于氢致断裂的静载疲劳断裂；齿轮断裂失效原因是由于高频感应加热机热处理时氢气渗入，在工件装配时锁紧力和工件残留应力作用下，氢气渗入应力集中区域并聚集，造成氢含量高的部位（表面与次表面）出现微裂纹。该区域同时存在夹杂、刀痕、尖角缺陷，是工件强度最薄弱而应力最集中处。萌生裂纹在应力作用下迅速扩展，导致氢致脆性断裂失效。

根据以上分析，提出防止齿轮氢脆断裂工艺改进措施如下：(1)脱氢处理。工件经不同高频感应加热机热处理工艺处理后，氢脆严重，钢的断面收缩率很低，脱氢处理后，工件性能恢复，重新加热后工件不再出现氢脆缺陷。(2）低温加热脱氢。试件经180aC不同时间加热处理氢气析出情况可以看出，随加热时间延长，断面收缩率上升，加热8h后断面收缩率恢复原水平；另外，热轧态组织析出氢较慢，说明氢脆与原始组织有关。(3)自然时效脱氢。含氢工件在室温放置，过饱和氢迳饱和氢逐渐释放析出，其氢脆危害减轻。从两种不同高频感应加热机工艺处理状态工件，经3个月和6 个月后断面收缩率恢复情况，可以看出，加热恢复较快，3个月后已基本恢复；热轧态6个月后断面收缩率明显恢复。该方法表明，自然时效消除氢脆作用是显著的。