感應淬火齒輪裂紋原因分析與預防

穆玉芹，呂金根，王孟，李中元

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272000

1 序言

大型齒輪斷齒的原因各異，既有原材料裂紋、鍛造過程中裂紋、熱處理過程裂紋誘導，又有齒輪加工過程裂紋、服役過程中失效裂紋。這些斷齒宏觀上很難區分裂紋產生的根源。本文對斷齒齒輪進行了材料成分、宏觀斷口、顯微金相組織等理化方面的檢測，并結合熱處理工藝分析了造成齒輪斷齒的主要原因，通過改進措施，解決了齒輪斷齒問題，以期對后續生產作業發揮指導性作用。

2 齒輪概況

大型傳動齒輪材料為45鋼，齒頂硬化層深度2.9～7.8mm，齒根硬化層要求≥1.5mm，表面硬度55～60HRC，基體硬度為229～277HBW，齒輪結構如圖1所示。

圖1 傳動齒輪結構示意

該齒輪的主要工藝流程：下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→感應淬火→回火→拋丸→精滾。感應淬火工序采用450kW超聲頻電源，功率80～90kW，頻率8500～9500Hz，選擇集中加熱感應器，加熱后冷卻介質采用水冷卻，低溫回火4h。

3 斷齒齒輪分析

斷齒齒輪宏觀形貌如圖2所示，下面主要從宏觀和微觀兩個方面進行觀察分析。

3.1 宏觀分析

對齒輪宏觀方面進行觀察分析，發現該齒輪存在以下問題。

1）該齒輪齒根部倒角不良，未按照要求倒角，并有部分倒角處存在磕碰現象，如圖3所示。

圖3 齒輪倒角不良

2）從齒輪齒部齒面磨損情況可以看出該齒輪存在偏磨現象，齒輪齒部一端異常磨損，而另一端未出現磨損現象（見圖4），由此判斷該齒輪可能存在裝配或齒輪齒向問題。經檢測該齒輪齒形齒向均無問題，說明該齒輪裝配存在問題。

圖4 齒輪偏載異常磨損

3）對斷齒齒輪進行剖切檢測，分別在斷齒位置和未出現問題區各取一個試樣，對試樣進行硬度檢測。經檢測齒輪的硬化層深度過深，齒頂部硬化層深度為17.9～18.2mm，大大超出工藝要求的2.9～7.8mm，整個齒部完全淬透；齒輪齒根部硬化層深度為2.9～3.0mm，滿足≥1.5mm的要求，基體硬度為241HBW滿足要求，檢測位置如圖5所示。

圖5 硬化層深度檢測

3.2 微觀分析

宏觀檢測后，我們對試樣進行金相及掃描電鏡分析，對試樣的非金屬夾雜物情況檢測結果見表1。各種類型的非金屬夾雜物均滿足要求。

表1 非金屬夾雜物 （級）

通過對齒輪硬化區、過渡區、心部的金相組織進行分析，硬化區組織為回火馬氏體，晶粒度為9級；心部組織為回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度8級，如圖6所示。所有金相組織結果均滿足要求。

圖6 金相組織（400×）

通過對斷裂齒部進行金相分析和EVO 18型掃描電鏡分析發現，齒斷口處的形貌具有準解理斷裂的特點，斷口具有平坦的“類解理”小平面、微孔及撕裂棱組成的混合斷裂（見圖7～圖9），由此判斷齒輪斷裂類型屬于準解理斷裂[1]。從圖8、圖9可以看出：該件斷口處屬于齒面碾壓應力裂紋（剝落）。

圖7 裂紋處的金相照片

圖8 斷齒斷口處形貌

圖9 齒面碾壓應力裂紋形貌

4 預防與措施

1）針對硬化部淬火馬氏體回火不良，導致齒面發生碾壓應力裂紋，易形成斷裂源問題，應該進行充分回火，必要時增加回火時間，以消除不均勻組織。

2）針對硬化層過深（齒部淬透）現象，工件在感應淬火時應該控制加熱功率，減少加熱時長，同時應該控制工件冷卻速度。冷卻速度過快，淬火烈度過大，組織轉變劇烈，組織應力無法釋放，表面壓應力轉化為拉應力，并在應力達到一定程度后造成表面裂紋。

3）齒輪齒端部在倒角加工時，不僅要嚴格按照工藝要求進行倒角，應避免倒角過大或者倒角過渡不圓滑，而且要注意倒角處發生磕碰現象，做好齒輪防護等工作。

4）加強裝配過程控制，齒輪安裝后檢測安裝基準面的端徑跳動，控制在0.1mm以內，保證裝配精度，避免偏載問題。

5 結束語

綜上所述，造成傳動齒輪斷齒的原因是由多方面的綜合因素引起的，在不斷改進優化齒輪感應淬頭工藝參數時，重點從加熱功率、加熱時間、冷卻速率，以及回火時間與溫度上進行調整、控制工藝，以減少或避免齒輪裂紋現象發生。