渗碳淬火齿轮内孔键槽开裂的原因分析

来源:北方重工集团有限公司作者:刘晓荣

通过宏观断口检验、金相检测对渗碳淬火齿轮内孔键槽开裂的原因进行了分析。结果表明:采用加热器加热齿轮内孔热装输出轴,加热过程中操作不当使加热器与齿轮内孔间隙不合理,键槽处局部过热、应力集中是导致装配后键槽开裂的主要原因;同时原材料中存在较重的非金属夹杂物及带状组织偏析也加剧了键槽的开裂。

轧机减速器的核心部件二级传动齿轮,材料为17CrNiMo6钢,技术要求:齿部渗碳淬火,有效硬化层深2.2~2.8mm,齿面硬度58~62HRC,心部硬度35~45HRC。

生产工艺流程为:锻造齿坯→粗车→调质→粗滚齿→渗碳淬火→磨齿→内孔插键槽→内孔热装输出轴。该齿轮经热处理渗碳淬火回火处理,检验齿面硬度、硬化层深及心部硬度合格后机加工成品。采用加热器加热内孔,过盈装配输出轴后,运到现场整机安装时发现键槽开裂,开裂键槽的齿轮宏观形貌见图1,发生开裂的齿轮键槽宏观形貌见图2。

渗碳淬火齿轮内孔键槽开裂的原因分析

1、理化检验

1.1、宏观断口检验

在内孔键槽裂纹处剖切使裂纹完全断开,形貌如图3。图中清晰的显示了裂纹源(箭头所指处)、裂纹扩展区,断口为脆性断口。

键槽断口的宏观形貌

图3 键槽断口的宏观形貌

1.2、化学成分分析

在齿轮裂纹处取样,检测化学成分,结果见表1。从表中可以看出,Mn略低于技术要求,其它的元素的化学成分均符合17CrNiMo6的成分要求。

表1 齿轮的化学成分及标准值(质量分数,%)

齿轮的化学成分及标准值

1.3、金相检验

1.3.1、非金属夹杂检验

在裂纹源处切取试样,截取与裂纹垂直的面磨制金相试样,抛光后检验。根据GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》评定断口附近的非金属夹杂物为:D>3,见图4。

断口附近腐蚀后的非金属夹杂物

图4 断口附近腐蚀后的非金属夹杂物

1.3.2、金相组织检验

裂纹源处试样的金相组织为回火索氏体和铁素体,见图5;组织呈严重的带状偏析,见图6。

渗碳淬火齿轮内孔键槽开裂的原因分析

1.3.3、硬度检验

键槽裂纹处检测的表面硬度分别为29.4、28.4、28.5和28.8HRC。齿轮内孔键槽为非渗碳部位,应为渗碳淬火低温回火的组织,即心部组织,图纸技术要求硬度应达到35~45HRC。

2、综合分析

从以上理化检测结果可知:键槽裂纹处金相组织为回火索氏体,回火索氏体为高温回火组织,非渗碳淬火低温回火组织。检测硬度结果低于技术要求,也说明齿轮内孔键槽处发生二次加热回火,而回火温度高于齿轮渗碳淬火低温回火的温度。这是因为在热装输出轴,用加热器加热齿轮内孔时,由于操作不当,加热器与齿轮内孔间隙不合理,键槽处过热导致其二次回火。过热使其强度降低,键槽为易产生应力集中的缺口部位,应力集中增大了内孔冷却后的拉应力,当拉应力达到或超过材料的脆断抗力时,就会导致键槽开裂。另外,基体存在较重的非金属夹杂及带状组织,非金属夹杂破坏了金属基体的连续性。原材料中的带状组织偏析形成了显微组织的严重不均,易产生较大的组织应力;同时形成力学性能的方向性,不仅强度低,韧性也差,非金属夹杂及带状组织的存在进一步加剧了键槽的开裂。

3、结论及建议

渗碳淬火齿轮热装输出轴后键槽开裂,主要是由于采用加热器加热键槽内孔时,操作不当导致间隙不合理,键槽处局部过热,产生应力集中造成的(相同的齿轮采用同样方法热装并未造成键槽开裂);同时原材料存在较严重的非金属夹杂及带状偏析也加剧了键槽的开裂。建议尽量采用齿轮整体入炉均匀加热热装,可避免由于操作不当使键槽局部过热;同时加强原材料管理,严格控制冶金质量,按照齿轮用钢要求控制非金属夹杂物及带状组织的级别。