42CrMo船用柴油機傳動齒輪中頻感應淬火失效分析

曹昌懷，劉修艷，陳文偉，盧建

我公司為某企業(yè)配套中頻感應淬火處理的船用柴油機傳動齒輪，在使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)輪齒斷裂失效的現(xiàn)象，嚴重影響柴油機的安全。為尋求斷裂產(chǎn)生的原因及解決的方法，對其進行分析。

傳動齒輪的材料為42CrMo鋼，生產(chǎn)工藝流程為：鍛造成形→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→滾齒→中頻感應淬火→磨齒→無損檢測→成品。

1. 檢驗與結(jié)果

（1）宏觀形貌分析 斷裂發(fā)生在傳動齒輪的輪齒部位，輪齒斷口形貌如圖1所示，斷口可見明顯的疲勞貝紋線痕跡，是疲勞斷裂的特征。疲勞源起始于輪齒兩側(cè)的根部過渡區(qū)，且有明顯的“臺階”痕跡，說明該處有應力集中現(xiàn)象；齒輪運轉(zhuǎn)過程中承受載荷作用，由輪齒兩側(cè)根部過渡區(qū)的疲勞源向內(nèi)沿不同平面擴展，相遇后貫通，形成臺階狀的最后瞬斷區(qū)，輪齒斷裂。整個斷口的貝紋線較細密，疲勞擴展區(qū)占大部分區(qū)域，應是應力集中條件下的低應力高周疲勞斷裂。

同時觀察發(fā)現(xiàn)，齒根區(qū)域較其他區(qū)域顏色深，表面也較粗糙（見圖2），說明存在機加工不到位的現(xiàn)象。

（2）化學成分分析 在斷口附近取樣進行化學成分分析，結(jié)果列于表1。該傳動齒輪的化學成分符合GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的標準要求。

（3）非金屬夾雜物的檢驗 對輪齒進行線切割取樣，試樣經(jīng)磨拋后觀察并根據(jù)GB/T 10561—2005進行評級，結(jié)果為A1.0、B0、C0、D1.0，如圖3所示。非金屬夾雜物符合A+C≤3.0級和B+D≤3.0級的技術(shù)協(xié)議要求。

表1 傳動齒輪的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（4）金相檢驗 試樣經(jīng)磨拋后觀察，齒根深色區(qū)域表面起伏，疲勞源區(qū)存在一條疲勞裂紋，如圖4所示。試樣再經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后發(fā)現(xiàn)，該齒輪齒根部位未經(jīng)中頻感應淬火處理，如圖5所示，輪齒黑色區(qū)域為感應淬火區(qū)，感應淬火區(qū)組織為細針狀馬氏體，如圖6所示。齒根疲勞源區(qū)表面未經(jīng)感應淬火處理，金相組織與基體組織一致，為回火索氏體＋少量鐵素體，如圖7、圖8所示。

（5）基體硬度檢驗 經(jīng)檢測，齒輪基體硬度為255HBW10/3000，滿足技術(shù)要求。

2. 分析與討論

鋼中非金屬夾雜物檢測及化學成分的分析結(jié)果表明，該齒輪材質(zhì)正常。金相分析表明，其基體組織正常，說明該齒輪基體調(diào)質(zhì)狀態(tài)正常。斷口分析表明，該齒輪應是應力集中條件下的低應力高周疲勞斷裂。疲勞源起始于輪齒兩側(cè)的根部，該處是淬火區(qū)和非淬火區(qū)的過渡區(qū)域，該區(qū)域由于受到淬火時高溫影響，形成回火軟區(qū)，組織軟化，相較于基體組織，其硬度和疲勞強度較低；同時觀察發(fā)現(xiàn)該處具有明顯的“臺階”痕跡，說明該處有應力集中現(xiàn)象，齒輪齒根部位本身易形成應力集中現(xiàn)象，加之齒根區(qū)域加工較粗糙，加劇了該處的應力集中現(xiàn)象；同時齒根部位未進行中頻感應淬火處理，金相檢測其為回火索氏體＋少量鐵素體組織，疲勞強度較回火馬氏體要低得多。傳動齒輪在運轉(zhuǎn)傳遞載荷時，齒根承受交變彎曲應力，由于該處應力集中及疲勞強度低，因此在齒根承受的彎曲應力大于該處的疲勞強度時，在該處萌生微裂紋，形成疲勞源，隨著齒輪的不斷運轉(zhuǎn)，疲勞源逐步擴展，直至出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象。

圖4 疲勞源區(qū)拋光態(tài)形貌 （50×）

圖5 試樣腐蝕后宏觀形貌

圖6 輪齒感應淬火區(qū)組織 （500×）

圖7 疲勞源區(qū)組織 （100×）

圖8 試樣基體組織 （500×）

3. 結(jié)論與建議

通過分析，得出該傳動齒輪的斷裂原因，故此后的生產(chǎn)做了以下改進：

（1）強化機加工工序質(zhì)量，切實改善齒根部位的粗糙度，減少應力集中的現(xiàn)象。

（2）改進中頻感應淬火工藝，原采用的中頻感應淬火，當時考慮的是齒根部位易發(fā)生加熱溫度過高和冷卻過激的現(xiàn)象造成淬火應力集中而開裂，因此特意對齒根部位沒有淬火，造成同基體一樣的回火索氏體組織。故對中頻感應淬火的工藝方式進行改進，在加熱電參數(shù)、淬火移動速度、淬火感應器的設(shè)計等方面進行改進，對傳動齒輪的齒根部位也進行淬火，以形成回火馬氏體組織，提高該處的疲勞強度。在實際生產(chǎn)中，采用仿形感應器，將感應器的前端噴水孔堵死，并將感應器頂端與齒槽間隙加大，控制在11～16mm之間。在加熱過程中，控制齒根處于亞溫狀態(tài)，既沒有過激的冷卻，又完美地解決了淬火裂紋的問題，同時使齒根部位的疲勞強度變大，效果良好。

根據(jù)改進后的工藝，此后中頻感應處理的多批次傳動齒輪，再未發(fā)生輪齒斷裂失效的現(xiàn)象，證明是有效、可行的。