輥端軸套裂紋原因分析

葛燕飛 李俊杰

精軋機(jī)接軸是板帶熱連軋精軋機(jī)組的關(guān)鍵部件，其中輥端軸套是連接軋輥和接軸的關(guān)鍵受力傳動部件[1]，要求輥端軸套與接軸上的外齒軸套嚙合的內(nèi)齒面及與軋輥配合的扁孔面要有足夠的耐磨性，且要求輥端軸套整體有足夠的強(qiáng)度和韌性。因此，輥端軸套的材質(zhì)選擇較為講究，為具有優(yōu)良綜合機(jī)械性的17Cr2Ni2Mo優(yōu)質(zhì)滲碳結(jié)構(gòu)鋼。為提高輥端軸套內(nèi)齒及扁孔的耐磨性和延長使用壽命，其熱處理工藝采用滲碳、表面感應(yīng)淬火及回火工藝。其加工工藝流程為：鍛造→正火→粗加工→穩(wěn)定化回火→插齒→滲碳→高溫回火→表面淬火→去應(yīng)力回火→ 精加工→磨齒。

本文所述的輥端軸套在上線使用3個(gè)月后，返廠拆解維護(hù)，檢測過程中發(fā)現(xiàn)其內(nèi)齒齒根處有一條縱向裂紋，裂紋長度約為230mm，裂紋沿一側(cè)齒根擴(kuò)展至齒寬中部后，跨越齒頂沿另一側(cè)齒面延伸。為查明裂紋原因，對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1.理化檢測

1.1 宏觀分析

輥端軸套裂紋是整體呈縱向分布的。

1.2 化學(xué)成分檢測

在開裂紋頂部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，使用SPECTROMAXx臺式全譜直讀光譜儀器對樣品進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果見表1，可判斷出除Ni元素外其余元素的含量均符合GB/T 17107-1997《鍛件用結(jié)構(gòu)鋼牌號和力學(xué)性能》標(biāo)準(zhǔn)對17Cr2Ni2Mo鋼的技術(shù)要求，但Ni元素滿足標(biāo)準(zhǔn)中對成品化學(xué)成分分析偏差的要求，由此判斷此材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 硬度檢測

沿齒寬中部將樣品沿橫向鋸切開，經(jīng)磨、拋后使用WILSON VH1150型維氏硬度計(jì)對齒的倆個(gè)側(cè)面進(jìn)行硬度梯度檢測，檢測結(jié)果見表2、表3、圖1。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求齒面硬度58 HRC-62 HRC，齒面有效硬化層深度為2.0mm-2.5mm。依據(jù)GB/T 5617-2005《鋼的感應(yīng)淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》，可計(jì)算出齒面1的有效硬化層深度DS1=1.02mm，齒面2的有效硬化層深度DS2=0mm，由此可見輥端軸套齒部的硬化層深度沒達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.4 金相檢測

將齒部位用金相試樣切割切取后，在經(jīng)過粗磨、細(xì)磨，拋光后使用ZEISS Vert.A1金相顯微鏡對樣品進(jìn)行金相分析可得，裂紋整體較為剛直，局部曲折，兩側(cè)未見非金屬夾雜物等冶金缺陷（見圖4）。使用濃度為4%的硝酸酒精溶液對試樣進(jìn)行浸蝕后進(jìn)行觀察，試樣僅有一側(cè)齒面及齒底局部存在淬硬組織，淬硬組織為回火馬氏體；另一側(cè)齒面未存在淬硬組織，其金相組織為保持馬氏體位向的回火索氏體組織，其齒側(cè)與齒底之間的圓弧過渡處均未淬硬，金相組織也是回火索氏體組織。齒心部金相組織為鐵素體+貝氏體+珠光體。

圖1 硬度梯度曲線

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 齒輪表面硬度梯度檢測結(jié)果-1

表3 齒輪表面硬度梯度檢測結(jié)果-2

表4 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

1.5 力學(xué)性能檢測

在未裂齒部沿軸套縱向取樣，去除表面滲碳層后加工成拉伸及沖擊試驗(yàn)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表4。可見輥端軸套的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均低于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，沖擊功遠(yuǎn)大于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

2.綜合分析

17Cr2Ni2Mo是一種含合金元素較高的滲碳鋼，由于含有較多的Cr、Ni、Mo等合金元素，能獲得穩(wěn)定性比Fe3C高的合金滲碳體(Fe，M)3C，可以抑制過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，因而具有良好的淬透性。齒輪的工作條件相對較為復(fù)雜，為了滿足要求，齒輪用鋼不但應(yīng)有高的耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度，而且還應(yīng)有較高的塑形和韌性。為此可以采用滲碳后淬火加低溫回火工藝進(jìn)行處理，滲層組織為馬氏體及碳化物，它具有較高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度；心部組織為低碳化馬氏體及部分鐵素體，它具有很高的強(qiáng)度、塑形和韌性。此外，由于滲層和心部C含量不同，將會在表層形成壓應(yīng)力，將顯著提高材料的彎曲疲勞強(qiáng)度[2-3]。

此輥端軸套滲碳后采用的是感應(yīng)淬火工藝，利用的是電磁感應(yīng)原理在工件表面形成密度很高的感應(yīng)電流，并使之迅速加熱至奧氏體狀態(tài)，隨后快速冷卻獲得馬氏體的方法。

由上述試驗(yàn)理化檢測結(jié)果可知：輥端軸套的化學(xué)成分滿足GB/T 17107-1999對17Cr2Ni2Mo牌號的技術(shù)要求；其機(jī)械性能中的強(qiáng)度指標(biāo)均不滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，其原因是軸套的預(yù)處理工藝為正火+回火，預(yù)處理后基體硬度過低；軸套齒部的齒面硬化層深度也未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，齒面淬硬側(cè)的金相組織為馬氏體，按JB/T 9204-2008評定其級別為5級，組織細(xì)膩，齒面未淬硬側(cè)及齒根圓弧過渡處的金相組織為索氏體，其原因是感應(yīng)淬火工藝不合理，造成硬化層不均勻且較淺；輥端軸套基體金相組織為鐵素體+貝氏體及少量的珠光體，基體金相也不符合正火+回火后金相組織狀態(tài)，其原因是感應(yīng)淬火參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，造成心部組織受熱發(fā)生轉(zhuǎn)變。

3.結(jié)論及建議

通過上述檢測結(jié)果分析得出：該輥端軸套齒部開裂是由于齒部有效硬化層深度不合格，特別是在嚙合一側(cè)，齒面未存在有效硬化層，在內(nèi)外齒嚙合傳動過程中，在齒部最為薄弱的齒根處產(chǎn)生磨損[4-5]，形成微裂紋，由于基體強(qiáng)度較低，在持續(xù)傳動過程中，微裂紋擴(kuò)展開來形成了宏觀裂紋。

通過上述檢測結(jié)果及分析，建議：1) 更改輥端軸套的預(yù)處理工藝，采用調(diào)質(zhì)工藝代替正火+回火工藝，可以使基體的性能得到提升，滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求；2) 調(diào)整表面感應(yīng)淬火參數(shù)，合理設(shè)計(jì)感應(yīng)器，使其滿足齒面有效硬化層深度要求；3) 加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)測，在表面淬火回火后通過硬度檢測手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，杜絕不合格品流入下一工序。