大模數(shù)齒輪齒根表面斑疤缺陷原因

葉明明, 潘小靜, 趙 宜

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司, 常州 213011)

大模數(shù)齒輪常用于礦山、石油鉆井平臺、機(jī)車、鋼廠設(shè)備等重大裝備上，齒輪需要具有優(yōu)良的耐磨性能、抗接觸疲勞性能和抗彎曲疲勞性能。很多學(xué)者對于齒輪失效的模式和原因進(jìn)行了多方面研究，包括組裝不良、過載偏載、輪齒加工不合理及表面缺陷等引起的齒輪斷裂、剝落、磨損等[1-6]，但對于熱處理原因?qū)е慢X輪失效的研究則較少。

用50CrMoA鋼生產(chǎn)大模數(shù)齒輪,其生產(chǎn)工藝為：熱軋圓料下料→鍛造及碾環(huán)→調(diào)質(zhì)→機(jī)械加工→感應(yīng)熱處理(齒廓單齒埋油淬火)→齒面磨削加工。當(dāng)對磨削后的齒輪進(jìn)行磨削燒傷抽檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒輪中部分齒根區(qū)域表面有明顯的亮斑疤。為查明齒輪齒根區(qū)域表面斑疤產(chǎn)生的原因，筆者對存在缺陷的齒輪進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

失效齒輪表面斑疤的宏觀形貌如圖1所示，可見斑疤位于齒寬中部區(qū)域的齒根表面，斑疤形狀不規(guī)則，呈小塊、發(fā)白狀，其長度約為7 mm。

圖1 失效齒輪表面斑疤的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從存在缺陷的齒輪上取樣，采用直讀光譜儀對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，該齒輪的化學(xué)成分符合GB/T 3077—2016《合金結(jié)構(gòu)鋼》對50CrMoA鋼的要求。

表1 齒輪的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗(yàn)

在齒根表面斑疤處截取試樣，經(jīng)磨制、拋光和侵蝕后用光學(xué)顯微鏡對其進(jìn)行觀察，齒根表面斑疤處的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知:齒根表面斑疤處表層組織與基體組織顏色不一致，呈深度不均勻的圓弧截面狀，該斑疤處表層組織為萊氏體+粗大一次滲碳體，而表面與內(nèi)部銜接處的過渡組織為粗大馬氏體+殘余奧氏體，在過渡層下是正常的感應(yīng)淬火組織(回火馬氏體)。齒根表面正常處及心部的顯微組織形貌如圖3所示，可見表面正常組織為回火馬氏體，心部組織為貝氏體+珠光體+鐵素體。

圖2 齒根表面斑疤處的顯微組織形貌

圖3 齒根表面正常處及心部的顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述分析可知：齒根圓弧表面灰白色斑疤的截面形態(tài)為大圓弧形，是典型激光淬火區(qū)域的形態(tài)；斑疤表層組織為萊氏體+粗大一次滲碳體，與過共晶白口鑄鐵類似；過渡區(qū)為粗大馬氏體+殘余奧氏體；在過渡層下是正常的感應(yīng)淬火組織(回火馬氏體)，說明該齒輪在感應(yīng)淬火時(shí)產(chǎn)生了局部燒熔現(xiàn)象。

齒輪燒傷或燒熔是感應(yīng)淬火過程中產(chǎn)生的一種質(zhì)量缺陷，主要是由齒輪形狀、感應(yīng)器形狀和電流頻率高低以及感應(yīng)器與工件的間隙所引起的過熱、過燒造成的[7-9]，易發(fā)生在鍵槽、圓孔和圓弧的邊緣。萊氏體組織只在碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于4.3%的材料中出現(xiàn)，50CrMoA鋼作為中碳合金鋼，即使出現(xiàn)局部燒熔，也不會產(chǎn)生類似于過共晶白口鑄鐵組織，因此可以判斷，斑疤的產(chǎn)生與該齒輪的齒廓單齒埋油淬火工藝有關(guān)。

齒廓單齒埋油感應(yīng)淬火[10-12]工藝的流程為：首先將齒輪裝入淬火設(shè)備中，感應(yīng)器對應(yīng)齒輪的某單個(gè)齒溝，通電而感生渦流，并對齒輪單個(gè)齒溝的表層進(jìn)行加熱(見圖4)；然后將齒輪下降至淬火槽中，槽中的淬火油使齒輪淬冷，冷卻后將齒輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使下一個(gè)齒溝對準(zhǔn)感應(yīng)器，完成一個(gè)齒溝的感應(yīng)加熱淬火過程；繼續(xù)對齒輪沿齒溝方向進(jìn)行逐齒溝感應(yīng)加熱淬火，最終完成一個(gè)齒輪的感應(yīng)加熱淬火。感應(yīng)器的齒形與齒輪齒形各部分之間的間隙直接影響了齒輪加熱淬硬層的厚度和形狀，齒側(cè)間隙過大，會使感應(yīng)器的加熱效率變低，導(dǎo)致齒輪的加熱效果較差，硬化層較淺，甚至?xí)霈F(xiàn)非淬硬區(qū)(軟帶)；齒側(cè)間隙過小，感應(yīng)器的加熱效率在各個(gè)部位會不一致，導(dǎo)致局部加熱速率過快，形成高溫區(qū)，并出現(xiàn)過燒或燒熔現(xiàn)象。

圖4 單個(gè)齒溝感應(yīng)加熱示意

由齒廓單齒埋油感應(yīng)淬火過程可知：單個(gè)齒溝的表層在加熱時(shí)，齒溝表面是黏有一層淬火油的，加熱時(shí)淬火油會被高溫?zé)?。?dāng)感應(yīng)器調(diào)整不當(dāng)或齒形有偏差，造成齒側(cè)間隙過小時(shí)，感應(yīng)加熱后容易形成局部高溫區(qū)，出現(xiàn)過燒或燒熔現(xiàn)象。淬火油與金屬在快速升溫中一同熔融，淬火油燒化后產(chǎn)生的碳元素溶入表層熔融部位，冷卻后在齒輪齒根區(qū)域形成局部高碳的過共晶組織，宏觀表現(xiàn)為斑疤狀的缺陷。

3 結(jié)論及建議

該齒輪感應(yīng)熱處理采用了齒廓單齒埋油感應(yīng)淬火工藝，因感應(yīng)器調(diào)整不當(dāng)或齒形有偏差，造成齒側(cè)間隙過小，導(dǎo)致齒輪表面燒熔，并產(chǎn)生局部熔融；在快速升溫過程中，齒輪表面黏有的淬火油與金屬一同熔融、燒化，并產(chǎn)生大量碳元素，溶入金屬表層熔融部位，冷卻后在齒輪齒根區(qū)域形成局部高碳的過共晶組織，宏觀表現(xiàn)為斑疤狀的缺陷。

建議選擇合適的齒輪加工方式及加工參數(shù)，降低齒輪齒形的加工偏差，以獲得均勻的齒形余量，保證齒輪良好的熱處理性能。