大車內(nèi)齒輪失效分析及工藝改進(jìn)和質(zhì)量控制

□ 趙清林 □ 湯一兵

湘潭電機(jī)股份有限公司 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南湘潭 411101

電動(dòng)輪自卸車是大型露天礦主要運(yùn)載工具，其車型有 108 t、154 t、185 t、220 t、280 t、320 t、360 t、400 t等,車內(nèi)的內(nèi)齒輪裝在車輪上帶動(dòng)電動(dòng)輪自卸車運(yùn)行。露天礦大都在氣候嚴(yán)寒的北方，道路崎嶇，運(yùn)行條件惡劣，行星減速系統(tǒng)的使用壽命成為電動(dòng)輪自卸車質(zhì)量好壞的標(biāo)志，歐美國(guó)家對(duì)電動(dòng)輪的質(zhì)保期為10 000 h的使用壽命，我公司對(duì)電動(dòng)輪的質(zhì)保期為8 000 h的使用壽命。由于行星減速系統(tǒng)的內(nèi)齒輪經(jīng)常出現(xiàn)早期斷齒，一般只能使用3 000～5 000 h，最短出現(xiàn)使用幾百小時(shí)就斷齒，每年賠償幾百萬元，所以必須對(duì)內(nèi)齒輪的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高其使用壽命。

內(nèi)齒輪壽命主要受原材料、機(jī)加工、熱處理的影響，所以有必要對(duì)內(nèi)齒輪的材料、鋼錠的技術(shù)要求、鍛件的技術(shù)要求、鍛件的出廠熱處理狀態(tài)、機(jī)加工及與熱處理的協(xié)調(diào)配合以及熱處理工藝進(jìn)行全面的試驗(yàn)分析研究，找出產(chǎn)生內(nèi)齒輪早期失效的主要問題，提出解決的辦法，制定出切實(shí)可行的工藝操作和管理規(guī)范，使內(nèi)齒輪質(zhì)量穩(wěn)定，杜絕開裂和早期失效，將內(nèi)齒輪壽命穩(wěn)定在8 000-10 000 h。

1 內(nèi)齒輪簡(jiǎn)介和失效分析

內(nèi)齒輪形狀如圖1所示，齒部材料為鍛鋼42CrMo，模數(shù)10 mm，齒數(shù)87。熱處理： 調(diào)質(zhì)280～320 HB，感應(yīng)淬火深度：齒側(cè)2.6～3.4 mm，齒根＞2 mm。原工藝為鍛件-初加工-調(diào)質(zhì)-初插齒-精加工-精插齒，沿齒溝埋油中頻感應(yīng)淬火。其失效形式：大部分沿齒根開裂，小部分?jǐn)帻X（見圖2）。

▲圖1 內(nèi)齒輪

▲圖2 齒根開裂

2 內(nèi)齒輪早期失效的原因分析

內(nèi)齒輪壽命主要受原材料、機(jī)加工、熱處理的影響。原材料不純凈，雜質(zhì)超標(biāo)，會(huì)降低齒輪的疲勞壽命；機(jī)加工的精度、光潔度、齒根的單圓弧過渡連接、加工質(zhì)量的瑕疵將直接造成齒輪早期斷齒；熱處理調(diào)質(zhì)沒有達(dá)到正確的金相結(jié)構(gòu)組織和高的綜合機(jī)械性能，將嚴(yán)重降低齒根的強(qiáng)度和齒的韌性，熱處理感應(yīng)淬火要使每個(gè)齒都得到合適的淬硬層形狀和合適的淬硬層厚度，否則也將降低齒輪的疲勞壽命。所以要對(duì)內(nèi)齒輪的材料、鋼錠、鍛件、鍛件的出廠熱處理狀態(tài)作出明確的技術(shù)要求，對(duì)機(jī)加工與熱處理的協(xié)調(diào)配合作出調(diào)整，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行全面的試驗(yàn)分析，找出產(chǎn)生內(nèi)齒輪早期失效的主要問題，提出解決辦法，制定出切實(shí)可行的工藝操作管理規(guī)范。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 原材料質(zhì)量檢查和控制

對(duì)早期失效的內(nèi)齒輪進(jìn)行過多次解剖金相檢查 ，發(fā)現(xiàn)材料因素主要為非金屬夾雜（見圖3）。非金屬夾雜分為氧化物、硫化物、硅酸鹽和球狀氧化物，非金屬夾雜是產(chǎn)生裂紋和疲勞裂紋的重要原因，嚴(yán)重時(shí)鋼材淬火產(chǎn)生開裂。合金鋼GB3077（老國(guó)標(biāo)）規(guī)定非金屬夾雜不能大于3級(jí)，齒輪鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB8536）對(duì)非金屬夾雜要求嚴(yán)格得多，例如感應(yīng)淬火齒輪鋼要求氧化物、硫化物、硅酸鹽和球狀氧化物分別小于3、1.5、1.5、1.5級(jí)。改進(jìn)的方法是煉鋼時(shí)必須采用循環(huán)真空脫氣（或爐外真空精練），降低氫、氧含量，以及減少廢舊金屬的加入量，達(dá)到降低非金屬夾雜物級(jí)別的目的。廢舊金屬的加入量一般為10%左右，氫、氧含量分別控制在10 PPM（1PPM=10-6）和15 PPM以下。例如本次試驗(yàn)內(nèi)齒輪鑄坯的氫、氧含量分別為1 PPM和10 PPM，4 類非金屬夾雜級(jí)別分別達(dá)到 0、0、0、1 級(jí)（見圖 4），從源頭上消除了非金屬夾雜物的不利影響，調(diào)質(zhì)和感應(yīng)淬火再也沒有出現(xiàn)開裂。鍛造時(shí)控制鍛造比大于7和終鍛溫度高于950℃，成型后進(jìn)行正火細(xì)化組織和高溫回火調(diào)整硬度，制成鍛件出廠。

表1 調(diào)質(zhì)試驗(yàn)表

▲圖3 鋼中非金屬夾雜3級(jí)（放大100倍）

▲圖4 鋼中非金屬夾雜1級(jí)（放大100倍）

3.2 熱處理質(zhì)量檢查和控制

鍛造廠進(jìn)行正火＋高溫回火，內(nèi)齒輪廠進(jìn)行調(diào)質(zhì)和齒面感應(yīng)淬火。調(diào)質(zhì)賦予內(nèi)齒輪的齒心部具有高的綜合機(jī)械性能，使用時(shí)不開裂不斷齒；齒面感應(yīng)淬火使輪齒表面得到一層高硬度層，耐磨。

對(duì)早期斷齒的內(nèi)齒輪心部金相檢查發(fā)現(xiàn)，其心部組織為鐵素體＋索氏體＋貝氏體，說明調(diào)質(zhì)時(shí)淬火的冷卻速度不夠，沒有得到調(diào)質(zhì)后的鐵素體＋索氏體的金相組織，其綜合機(jī)械性能不高，達(dá)不到GB3077和設(shè)計(jì)要求。為此對(duì)調(diào)質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

▲圖6 重做感應(yīng)器后的淬硬層形狀

根據(jù)調(diào)質(zhì)試驗(yàn)，原860℃×3 h、油淬的熱處理工藝，其淬火組織為馬氏體＋無碳貝氏體＋屈氏體，淬火硬度40 HRC也沒有達(dá)到淬火的效果，高溫回火后其沖擊值28J、29J、34J 沒 有 達(dá) 到GB3077的63J的要求，是內(nèi)齒輪早期失效的重要原因之一。從調(diào)質(zhì)試驗(yàn)可以得出：調(diào)質(zhì)時(shí)的淬火硬度≥50 HRC以上，高溫回火后才能得到高的綜合機(jī)械性能和高的斷裂韌性。而要保證調(diào)質(zhì)時(shí)的淬火硬度≥50 HRC以上，淬火加熱時(shí)必須使工件不產(chǎn)生氧化和脫碳。在對(duì)調(diào)質(zhì)試樣進(jìn)行解剖金相檢查發(fā)現(xiàn)，試樣心部都出現(xiàn)無碳貝氏體，無碳貝氏體和魏氏組織一樣都是有害組織，嚴(yán)重?fù)p害機(jī)械性能和斷裂韌性。無碳貝氏體是由于淬火時(shí)冷卻速度慢產(chǎn)生的，由于內(nèi)齒輪模數(shù)為10 mm，要保證齒根部不出現(xiàn)無碳貝氏體，必須開槽淬火，才能保證齒根部有足夠的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)保證齒輪的抗彎和抗沖擊，不致造成早期斷裂。所以調(diào)質(zhì)工藝為860℃×3 h在氣體保護(hù)氣氛爐內(nèi)加熱，淬入快速淬火油冷到底，540～560℃回火。由于是開槽淬火，水淬油冷有較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，不宜采用。

▲圖7 原齒根沒有過渡圓弧

▲圖8 現(xiàn)齒根的過渡圓弧

對(duì)早期斷齒內(nèi)齒輪的輪齒心部金相檢查發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)淬火得到的淬硬層形狀（見圖5）不理想，淬硬層深淺不均勻，齒頂淬硬層太深且重合，節(jié)圓附近淬硬層太淺，僅0.8 mm，在承受大沖擊力時(shí)容易碎裂剝落。為此重制感應(yīng)器，重做工藝試驗(yàn)，確定工藝參數(shù)，經(jīng)分別對(duì)同一個(gè)齒的上、中、下三部分淬火層（見圖6a）及沿齒輪圓周方向三等分處的淬火層（見圖6b）的效果測(cè)試，均得到較理想的淬硬層形狀。質(zhì)量控制方法是感應(yīng)器修理后必須重新做工藝試驗(yàn)，重新確定工藝參數(shù)，淬硬層形狀和厚度、硬度都合格后感應(yīng)器才能使用。

3.3 機(jī)加工質(zhì)量檢查和控制

機(jī)加工質(zhì)量控制主要檢查控制精度、齒面齒根光潔度、齒根過渡圓弧。在一次批量開裂內(nèi)齒輪的分析檢查中，材料、熱處理都沒有查出開裂原因，檢查齒根光潔度和齒根過渡圓弧發(fā)現(xiàn)開裂內(nèi)齒輪幾乎沒有過渡圓弧，經(jīng)測(cè)量沒有開裂一側(cè)的過渡圓弧半徑為1.75 mm，開裂一側(cè)檢查不出過渡圓?。ㄒ妶D7），對(duì)全部開裂內(nèi)齒輪檢查發(fā)現(xiàn)，該批內(nèi)齒輪開裂部位幾乎全部都在無圓弧過渡的交角處。經(jīng)過更換刀具，修正機(jī)加工工藝，加工出符合技術(shù)要求的過渡圓?。ㄒ妶D8）。質(zhì)量控制是采用的刀具要經(jīng)過試插齒，測(cè)量出合格的過渡圓弧和光潔度才能使用，內(nèi)齒輪的每個(gè)過渡圓弧都要檢查。

4 改進(jìn)后的效果

通過多次檢查分析，找出了各種早期內(nèi)齒輪開裂的原因，有針對(duì)性采取措施，對(duì)每道工序提出質(zhì)量控制要求，嚴(yán)格按質(zhì)量控制要求進(jìn)行工序檢查，較好地解決了內(nèi)齒輪早期開裂的問題，現(xiàn)在其使用壽命已穩(wěn)定在10 000 h以上。

5 結(jié)論

大車內(nèi)齒輪使用環(huán)境惡劣，受力復(fù)雜，超重超速，承受大沖擊力。其加工工序多，涉及鑄錠、鍛造、機(jī)加工、多次熱處理。必須從鑄錠開始到最后完工的每道工序提出嚴(yán)格質(zhì)量指標(biāo)要求并嚴(yán)格檢查，必須對(duì)鑄錠的非金屬夾雜、氫、氧含量嚴(yán)格控制，鍛造比≥7，正火＋高溫回火狀態(tài)交貨。調(diào)質(zhì)時(shí)必須開槽后調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)的淬火硬度必須≥50 HRC，機(jī)加工時(shí)對(duì)精度、齒溝過渡圓弧、光潔度進(jìn)行嚴(yán)格檢查控制，感應(yīng)淬火要得到設(shè)計(jì)要求的淬硬層厚度和較理想的淬硬層形狀，某一步做不到位，都將損害內(nèi)齒輪使用壽命，嚴(yán)重時(shí)造成早期斷齒開裂。