大齒輪斷裂的失效分析與工藝改進(jìn)

張曉陽 齊永豐 劉蘋

摘要：大齒輪在熱處理調(diào)質(zhì)過程中，拉筋發(fā)生斷裂。通過對(duì)大齒輪的化學(xué)成分、鑄態(tài)組織的分析，結(jié)合調(diào)質(zhì)過程的分析，得出2個(gè)大齒輪斷裂的原因，一是終冷溫度太低，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力；二是鑄造缺陷在冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，成為斷裂的裂紋源。分析失效機(jī)理并總結(jié)工藝改進(jìn)措施，研究在該鑄態(tài)條件下如何避免再次發(fā)生此類失效。

關(guān)鍵詞：大齒輪；斷裂；調(diào)質(zhì)；鑄件

1 引言

大齒輪是礦山混合機(jī)的主要部件之一，用于傳動(dòng)裝置。該大齒輪為鑄件，外觀尺寸如下：外徑為4.5m，內(nèi)徑為4.1m，寬度為0.5m。材質(zhì)為ZG310-570，重量12噸，技術(shù)要求為調(diào)質(zhì)，硬度范圍197-227HB。該大齒輪的設(shè)計(jì)采用分半的結(jié)構(gòu)鑄造，熱處理調(diào)質(zhì)后均開裂。

2 失效分析

大齒輪在淬火時(shí)發(fā)生斷裂，其中第一半開裂1處，第二半開裂3處，裂紋位置在拉筋與腹板的連接處，斷裂形貌為縱向斷開式，斷裂處的宏觀形貌如圖1所示。

采取以下3種措施來分析斷裂失效的原因：查看視頻記錄，找出淬火操作是否存在問題；在大齒輪的裂口附近位置取末進(jìn)行化學(xué)分析，驗(yàn)證材質(zhì)是否正確；將斷裂處錯(cuò)開，露出斷口外貌，分析形貌形成的原因。

（1）查看工藝執(zhí)行情況。大齒輪調(diào)質(zhì)工藝為630℃保溫2h，860℃保溫4h后水冷，570℃保溫6h后空冷。經(jīng)過查看現(xiàn)場視頻記錄，發(fā)現(xiàn)淬火冷卻時(shí)間太長，達(dá)到30分鐘，工件已經(jīng)冷透，終冷溫度基本達(dá)到50℃以下。一般淬火冷卻時(shí)間會(huì)按照冷卻經(jīng)驗(yàn)公式t=α×D來計(jì)算，其中t為冷卻時(shí)間（S），D為工件有效厚度（mm），α為冷卻系數(shù)（S/min）。當(dāng)采用水冷時(shí)，α為1.5-2。大齒輪的有效厚度為200mm，按照公式計(jì)算，大齒輪的最大冷卻時(shí)間不能超過6.5分鐘。淬火時(shí)間太長就會(huì)導(dǎo)致表層產(chǎn)生的拉應(yīng)力及心部產(chǎn)生的壓應(yīng)力同時(shí)作用于工件，當(dāng)應(yīng)力增大到該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)便造成表面伸長和心部壓縮的塑性變形，就會(huì)造成工件開裂。

（2）對(duì)大齒輪進(jìn)行化學(xué)成分分析，在裂紋附近鉆取金屬末進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示，大齒輪的化學(xué)成分符合《GB/T11352-2009一般工程用鑄造碳鋼件》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于ZG310-570牌號(hào)鋼的規(guī)定。

（3）分析斷口形貌。大齒輪開裂的位置在拉筋與腹板的連接處，表面為毛坯面。將斷面錯(cuò)開后，觀察斷口形貌，宏觀可見氣孔和縮松2種鑄造缺陷，此為產(chǎn)生斷裂的裂紋源，見圖20在淬火過程中，由于組織疏松，氣孔和縮松處會(huì)產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋后向外擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)拉筋裂開。

綜上所示，造成失效的原因有2個(gè)：冷卻時(shí)間太長，造成終冷溫度太低，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力；鑄件斷開處宏觀可見的氣孔和縮松為斷裂的裂紋源，這2種缺陷在冷卻過程中產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。

3 工藝改進(jìn)

通過提高淬火后的終冷溫度以及控制冷卻速度的方式，來降低工件開裂的風(fēng)險(xiǎn)。提高終冷溫度的目的是降低組織應(yīng)力，控制冷卻速度的目的是降低熱應(yīng)力。提高終冷溫度會(huì)減小開裂的傾向，但對(duì)碳鋼和低合金鋼的大型鑄件來說，即使采用激冷的冷卻方式，也不能獲得馬氏體組織，硬度就無法達(dá)到要求。所以適當(dāng)?shù)慕档徒K冷溫度是有好處的，終冷溫度控制在300±50℃左右即可。心部終冷溫度是指回火升溫以前心部冷卻必須達(dá)到的溫度，截面較大的鑄件，為了防止產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在心部降溫到終冷溫度以前，冷卻工藝就已經(jīng)停止，工件已從冷卻介質(zhì)中轉(zhuǎn)到回火爐中，所以工件的心部溫度隨著工件離開冷卻介質(zhì)裝入回火爐的整個(gè)期間仍然不斷降低，一直達(dá)到必須的終冷溫度。

因此根據(jù)工件的有效厚度，計(jì)算出淬火水冷的時(shí)間、緩冷的時(shí)間以及次數(shù)、終冷溫度等，編制主要的冷卻工藝如下：水冷2分—空冷30秒—水冷1分—空冷30秒—水冷1分—空冷1分—水冷1分—空冷，冷卻后的工件溫度在300±50℃左右。空冷目的是減小熱應(yīng)力，因?yàn)樵诠ぜ焖倮鋮s過程中表層先冷，中心后冷，始終存在表心溫差，在冷卻初期表層溫度的下降比心部快，表層的較大收縮受到心部的牽制，表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力增大到該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)，便造成表面伸長和心部壓縮的塑性變形，就會(huì)造成工件開裂。尤其鑄件內(nèi)部組織的均勻性和致密性較差，與鍛件比較在同等條件下的應(yīng)力更容易開裂。所以采取間隙性的空冷方式可以降低表面的冷卻速度，使得心部較高的溫度向表層傳導(dǎo)，降低表心溫差和冷卻速度，防止開裂。

4 實(shí)施過程及力學(xué)性能驗(yàn)證

該組大齒輪產(chǎn)生裂紋下廢后，廠家重新鑄造了一組。在車間調(diào)質(zhì)時(shí)，按照工藝改進(jìn)后的方案執(zhí)行，將水冷時(shí)間、緩冷時(shí)間、冷卻速度、終冷溫度、回火溫度等一系列參數(shù)細(xì)化到具體數(shù)值，在工藝上標(biāo)明，工人按此操作。調(diào)質(zhì)后沒有出現(xiàn)裂紋，且齒輪硬度合格，對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)分析，驗(yàn)證其力學(xué)性能是否合格，檢驗(yàn)結(jié)果見下表。

5 結(jié)論

（1）淬火冷卻時(shí)間太長，造成終冷溫度太低，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，導(dǎo)致工件表層產(chǎn)生的拉應(yīng)力及心部產(chǎn)生的壓應(yīng)力同時(shí)作用于工件，當(dāng)應(yīng)力增大到該溫度下的屈服強(qiáng)度時(shí)便造成表面伸長和心部壓縮的塑性變形，就會(huì)造成工件開裂。通過提高淬火后的終冷溫度（300±50℃）以及控制冷卻速度的方式，來降低工件開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）鑄件斷開處宏觀可見的氣孔和縮松為斷裂的裂紋源，在淬火過程中，這兩種缺陷氣孔和縮松處會(huì)產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋后向外擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)拉筋裂開。

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