弧齒錐齒輪熱處理裂紋成因分析和改進(jìn)措施
針對(duì)減速機(jī)弧齒錐齒輪熱處理后出現(xiàn)大量裂紋,通過(guò)對(duì)裂紋的宏觀、微觀形貌和金相分析、滲層測(cè)定，發(fā)現(xiàn)弧齒錐齒輪的開(kāi)裂是由于熱處理工藝缺陷產(chǎn)生的殘余應(yīng)力過(guò)大所致。在此基礎(chǔ)上，提出防止出現(xiàn)類似事故的改進(jìn)措施。
1.失效故障概述
3對(duì)減速機(jī)用弧齒錐齒輪，按技術(shù)要求在熱處理加工公司進(jìn)行了熱處理。在熱處理工藝進(jìn)入強(qiáng)滲階段時(shí)，操作人員發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)碳勢(shì)達(dá)不到工藝要求的數(shù)值。相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查，檢查結(jié)果是氧碳頭出現(xiàn)了問(wèn)題，決定降溫，出爐緩冷工件。從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到落實(shí)解決問(wèn)題持續(xù)了大約3h。
更換氧碳頭后，操作人員將工件按熱處理工藝規(guī)程再進(jìn)行加工處理。將熱處理完畢的齒輪，轉(zhuǎn)送加工部門(mén)粗加工時(shí)發(fā)現(xiàn)：大小錐齒輪都有大量裂紋。
弧齒錐齒輪為鍛棒件，所用材料為18CrNiMo7-6鋼，處理工藝為：925℃滲碳15h+擴(kuò)散5.5h＋820℃淬火＋180℃回火8h。
本文主要內(nèi)容就是說(shuō)明裂紋的宏觀、微觀形貌，分析裂紋產(chǎn)生的原因，并提出防止出現(xiàn)類似事故的改進(jìn)措施。
2.試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
（1）裂紋的宏觀形貌
從外形上觀察三對(duì)錐齒輪裂紋形貌，見(jiàn)圖1。其形貌分為3種：一種為沿齒根處的小裂紋，見(jiàn)圖1a；另一種為齒根處向外延伸的大裂紋，見(jiàn)圖1b、圖1c。第三種為螺紋孔處向外延伸的裂紋，見(jiàn)圖1d。三種裂紋都起源于應(yīng)力集中最大的部位，如齒根圓角處或螺紋孔處，屬于熱處理應(yīng)力集中裂紋。在圖1c中還可以區(qū)分主裂紋和次裂紋。
（2）裂紋的微觀形貌
從主裂紋上取樣，制樣后在顯微鏡下（100×）觀察裂紋，發(fā)現(xiàn)沿齒根處的裂紋，其深度0.94mm，見(jiàn)圖2。裂紋及工件表面有氧化現(xiàn)象，見(jiàn)圖3。裂紋處的氧化深度（25.27μm），見(jiàn)圖3a。比工件表面的氧化深度（31.65μm）略淺，見(jiàn)圖3b。
將裂紋斷口人工機(jī)械打開(kāi)，如圖4所示。對(duì)斷口進(jìn)行電鏡觀察，裂紋斷口有污染物如圖5所示，經(jīng)過(guò)清理后，電鏡觀察其斷口形貌，其觀察點(diǎn)1、2、3、4的部位如圖4所示。其中觀察點(diǎn)1、2、3位于熱處理裂紋區(qū)-深色區(qū)，相應(yīng)的斷口形貌如圖6、圖7、圖8所示；觀察點(diǎn)4位于靜斷區(qū)-淺色區(qū)，相應(yīng)的斷口形貌如圖9所示。
從圖6、圖7和圖8可見(jiàn)，裂紋斷口的氧化物清理后呈現(xiàn)一種疏松（豆腐渣形）的斷口形貌，與疲勞斷口和靜斷斷口有明顯的不同。
（3）金相檢查
滲層中的金相組織：馬氏體級(jí)別、碳化物級(jí)別、殘留奧氏體級(jí)別都合格，如圖10所示。
（4）有效硬化層深度檢查
檢查發(fā)現(xiàn)，齒輪的有效硬化層深度出現(xiàn)異常。熱處理工藝要求1.8mm（1.7～2.1mm），實(shí)際檢驗(yàn)實(shí)物齒輪有效硬化層深度2.8mm，如圖11所示。超出工藝要求0.7mm。
換上新氧探頭后，整個(gè)熱處理過(guò)程按著1.8mm熱處理工藝加工的。實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果，有效硬化層深度高出技術(shù)要求很多；說(shuō)明第一次滲碳時(shí)，到達(dá)碳勢(shì)后，爐內(nèi)大約有3h因氧探頭有問(wèn)題而未顯示出來(lái)真值，但爐內(nèi)實(shí)際碳勢(shì)很高。齒輪在3h內(nèi)一直在無(wú)氧碳頭控制的情況下滲碳，再加上降溫保溫時(shí)間，齒輪至少滲碳了1.7mm滲層深度。
3.分析與討論
（1）裂紋開(kāi)裂性質(zhì)分析
從裂紋的形態(tài)上看，裂紋起源于應(yīng)力集中處。無(wú)論齒根還是螺紋孔都是零件的應(yīng)力最集中的地方，屬于熱處理應(yīng)力集中裂紋。
（2）裂紋開(kāi)裂原因的分析
沿齒根延伸的大、小裂紋都有氧化現(xiàn)象，而且氧化深度比工件表面氧化深度略淺，說(shuō)明裂紋是第二次滲碳前產(chǎn)生的，不是淬火裂紋，也不是第一次加熱滲碳、緩冷時(shí)產(chǎn)生的。
第一次發(fā)現(xiàn)氧碳頭有問(wèn)題時(shí)，工件在強(qiáng)滲階段是無(wú)氧碳頭控制的高溫高碳勢(shì)滲碳3h，而材料18CrNiMo7-6是低碳高合金材質(zhì)，這種情況下滲層組織必然會(huì)產(chǎn)生粗大的馬氏體組織及很高的殘余奧氏體組織，對(duì)工件表面形成一定的拉應(yīng)力。
在換上新的氧碳頭后，工件被重新熱處理，在加熱過(guò)程中，工件表面是粗大的馬氏體組織及很高的殘留奧氏體組織，在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用下，工件在應(yīng)力集中處開(kāi)裂。
4.錐齒輪返工后的情況
用原來(lái)的材料重新下料，加工大小錐齒輪。周轉(zhuǎn)到熱處理后，按1.8mm滲層的熱處理工藝加工。滲碳→緩冷→淬火→清洗→回火→噴丸，檢驗(yàn)3對(duì)錐齒輪，均未發(fā)現(xiàn)異常。檢驗(yàn)金相組織合格，有效硬化層深度合格，為1.713mm。充分證明錐齒輪的裂紋是由于熱處理工藝缺陷產(chǎn)生的殘余應(yīng)力過(guò)大所致；原材料沒(méi)問(wèn)題。
5.結(jié)語(yǔ)
（1）三對(duì)弧齒錐齒輪的裂紋為熱處理工藝不正常、熱處理的殘余應(yīng)力過(guò)大所致。熱處理工藝正常后就能避免類似的事故再次發(fā)生。
（2）建議今后氧碳頭出現(xiàn)問(wèn)題后，要先檢驗(yàn)隨爐試樣，檢驗(yàn)滲層深度及滲層組織，再重新制定熱處理工藝進(jìn)行返工。
文/胡煒、薄文麗，沃德傳動(dòng)(天津)股份有限公司
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