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弧齒錐齒輪熱處理裂紋成因分析和改進措施

弧齒錐齒輪熱處理裂紋成因分析和改進措施

針對減速機弧齒錐齒輪熱處理后出現(xiàn)大量裂紋,通過對裂紋的宏觀、微觀形貌和金相分析、滲層測定,發(fā)現(xiàn)弧齒錐齒輪的開裂是由于熱處理工藝缺陷產(chǎn)生的殘余應(yīng)力過大所致。在此基礎(chǔ)上,提出防止出現(xiàn)類似事故的改進措施。


1.失效故障概述

3對減速機用弧齒錐齒輪,按技術(shù)要求在熱處理加工公司進行了熱處理。在熱處理工藝進入強滲階段時,操作人員發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)碳勢達不到工藝要求的數(shù)值。相關(guān)技術(shù)人員到現(xiàn)場檢查,檢查結(jié)果是氧碳頭出現(xiàn)了問題,決定降溫,出爐緩冷工件。從發(fā)現(xiàn)問題到落實解決問題持續(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)程再進行加工處理。將熱處理完畢的齒輪,轉(zhuǎn)送加工部門粗加工時發(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+擴散5.5h+820℃淬火+180℃回火8h。


本文主要內(nèi)容就是說明裂紋的宏觀、微觀形貌,分析裂紋產(chǎn)生的原因,并提出防止出現(xiàn)類似事故的改進措施。


2.試驗過程與結(jié)果

(1)裂紋的宏觀形貌

從外形上觀察三對錐齒輪裂紋形貌,見圖1。其形貌分為3種:一種為沿齒根處的小裂紋,見圖1a;另一種為齒根處向外延伸的大裂紋,見圖1b、圖1c。第三種為螺紋孔處向外延伸的裂紋,見圖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,見圖2。裂紋及工件表面有氧化現(xiàn)象,見圖3。裂紋處的氧化深度(25.27μm),見圖3a。比工件表面的氧化深度(31.65μm)略淺,見圖3b。

將裂紋斷口人工機械打開,如圖4所示。對斷口進行電鏡觀察,裂紋斷口有污染物如圖5所示,經(jīng)過清理后,電鏡觀察其斷口形貌,其觀察點1、2、3、4的部位如圖4所示。其中觀察點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,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:馬氏體級別、碳化物級別、殘留奧氏體級別都合格,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),實際檢驗實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,整個熱處理過程按著1.8mm熱處理工藝加工的。實際檢驗結(jié)果,有效硬化層深度高出技術(shù)要求很多;說明第一次滲碳時,到達碳勢后,爐內(nèi)大約有3h因氧探頭有問題而未顯示出來真值,但爐內(nèi)實際碳勢很高。齒輪在3h內(nèi)一直在無氧碳頭控制的情況下滲碳,再加上降溫保溫時間,齒輪至少滲碳了1.7mm滲層深度。


3.分析與討論

(1)裂紋開裂性質(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、緩冷時產(chǎn)生的。


第一次發(fā)現(xiàn)氧碳頭有問題時,工件在強滲階段是無氧碳頭控制的高溫高碳勢滲碳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產(chǎn)生粗大的馬氏體組織及很高的殘余奧氏體組織,對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)力集中處開裂。


4.錐齒輪返工后的情況

用原來的材料重新下料,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3對錐齒輪,均未發(fā)現(xiàn)異常。檢驗金相組織合格,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)力過大所致;原材料沒問題。


5.結(jié)語

(1)三對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)問題后,要先檢驗隨爐試樣,檢驗滲層深度及滲層組織,再重新制定熱處理工藝進行返工。

文/胡煒、薄文麗,沃德傳動(天津)股份有限公司

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