42CrMo4齒輪圈裂紋分析

堯偉 朱宇紅

【摘 要】材質為42CrMo4的齒輪圈在熱處理之后在各個齒輪齒尖與齒輪端面倒角處，有沿齒寬方向的裂紋。為了查明是鍛造還是后期中高頻淬火以及機加工產生的裂紋：用光電直讀光譜儀、光學顯微鏡及顯微硬度計對裂紋出進行了化學成分、宏觀以及微觀分析。分析結果表明：齒輪圈的化學成分符合相關產品的技術要求，齒輪圈產生裂紋是由于中高頻淬火工藝不當產生淬硬層以及加工的表面粗糙度較粗糙是造成裂紋出現的主要因素。

【關鍵詞】齒輪圈 淬硬層 中高頻淬火 粗糙度

某鍛造廠生產的大型環鍛圈，主要用加工成石油行業的大型齒輪圈。其材質：42CrMo4，規格：￠1890×￠1600×168；其鍛造熱處理工藝：淬火880～840℃，回火580～620℃，鍛造熱處理完畢后客戶在進行中高頻感應淬火及機加工后發現在各個齒輪齒尖與齒輪端面倒角處，有沿齒寬方向的裂紋，客戶投訴給單位帶來了嚴重的負面影響。為了探索螺裂紋原因，用光電直讀光譜儀、光學顯微鏡及顯微硬度計對裂紋出進行了化學成分、宏觀以及微觀等分析。

1 實驗過程與結果

1.1齒輪化學成分分析

其材質：42CrMo4，執行客標，齒輪化學成分是通過美國XXX型光電直讀光譜儀進行光譜分析的，結果見表1，觀察表1知產生裂紋齒輪的化學成分符合客標要求。

表1 斷裂螺栓化學成分分析結果（wB）%

元素 C Si Mn P S Cr Mo

標準值 Min 0.35 -- 0.60 -- -- 0.90 0.15

Max 0.45 0.40 0.90 0.025 0.035 1.20 0.30

測量值 0.41 0.23 0.77 0.011 0.003 1.15 0.207

1.2宏觀分析

齒輪圈宏觀形貌如圖1所示，在各個齒輪齒尖與齒輪端面倒角處，有沿齒寬方向的裂紋，圖2所示， 從齒尖表面宏觀形貌觀察，發現加工的表面粗糙度較粗糙（圖3）以及從齒尖橫截面形貌觀察，發現表面淬火不均勻（圖4），這些是造成裂紋出現的主要因素。

圖1、齒輪圈宏觀形貌 圖2、齒輪圈裂紋形貌 圖3、齒尖表面形貌

圖4、齒尖表面淬火情況 圖5、齒輪圈取樣部位 圖6、裂紋處非金屬夾雜物 100X

1.3微觀分析

從齒輪圈齒尖處制取樣品，進行金相檢驗、硬度性能試驗，位置如圖5所示。

1.3.1裂紋處與非裂紋處非金屬夾雜物

非金屬夾雜物分析結果：裂紋處非金屬夾雜物（圖6）：粗系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5，DS0；細系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5；裂紋處非金屬夾雜物（圖7）：粗系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5，DS0：細系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5。從（圖6）可知裂紋剛健有力，裂紋端部呈銳角，根據非金屬夾雜物金相分析可知，裂紋處及其他區域非金屬夾雜物有夾雜嚴重現象，所以裂紋的產生不是由于原材料中含有大量的非金屬夾雜物而產生的。

圖7、無裂紋處非金屬夾雜物100X 圖8、裂紋處組織 500X 圖9、齒尖表面組織100X

1.3.2裂紋處脫碳層

脫碳層分析結果如（圖8、9）：裂紋兩側無脫碳，齒尖表面無脫碳；由于裂紋兩側無脫碳現象，可判斷該裂紋不是在鍛造的時候產生的。

1.3.3齒輪表面顯微組織和顯微硬度

齒尖表面：距齒尖表面0.2mm內有多條細小裂紋并有回火馬氏體存在，所以在齒尖表面有淬硬層見（圖10、11）；換一個視場看顯微組織發現組織為：回火索氏體在這個視場上的齒尖表面又無淬硬層（圖12、13）。同時在有淬硬層和無淬硬層上打顯微硬度（HV1）結果見表2。分析結果：齒尖區域組織、硬度不均勻，有些區域未淬硬（組織為回火索氏體），有些區域已淬硬（組織為回火馬氏體），局部淬火在正常的工藝和區域可以達到表面強化和獲得良好的表面壓應力的目的，但在硬化層里面會產生組織差異應力，淬硬區和不合理的淬硬層，可以引起基體內部或局部表面的淬火開裂[1]，說明表面淬火不均勻，中高頻感應淬火工藝不穩定。

表2 淬硬層和非淬硬層顯微硬度（HV1）

淬硬層顯微硬度（HV1） 非淬硬層顯微硬度（HV1）

613 607 319 313

圖10、齒尖表面組織 100X 圖11、齒尖表面組織500X

圖12、齒尖表面組織 500X 圖13、距表面10mm處組織500X

2 改進措施

針對上述情況，采取了以下2項改進措施：（1）提高機加工表面的粗糙度，有效防止機加工產生的裂紋；（2）制定合理的中高頻淬火工藝、有效的控制感應淬火圈的溫度均勻性、并及時回火處理。

3 結語

42CrMo4經感應表面淬火以及回火后，顯微組織從表面到中心均分為淬硬層、過渡區和基體。淬硬層為回火馬氏體，過渡區為回火馬氏體與回火索氏體的混合組織，基體為回火索氏體。而齒尖區域組織、硬度不均勻，有些區域未淬硬（組織為回火索氏體），有些區域已淬硬（組織為回火馬氏體），說明表面淬火不均勻以及機加工太粗糙。這些因素是產生上述裂紋的主要原因。

參考文獻：

[1]孫盛玉.《熱處理裂紋講座》.《理化檢驗》，92.6-94.1.

[2]機械工程手冊（第三卷）[M].北京：機械工業出版社，1982.

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[5]李元洪，劉百宣，劉華等.42CrMo轉向器齒輪冷鍛及熱處理工藝的試驗研究[J].熱加工工藝，2010，39（1）：92-93.