Ⅱ級齒輪軸裂紋分析及控制

南京高精齒輪集團有限公司 （江蘇 210012） 鈕堂松

公司在為某鋼廠板材軋機配套生產減速機過程中，一件直徑1050mm、齒寬500mm左右、模數(shù)為24的Ⅱ級齒輪軸（見圖1），經過滲碳淬火后，在磨齒的過程中產生大量的裂紋。為找出裂紋產生原因，本文從熱處理工藝、磨齒工藝、組織形態(tài)等方面進行了分析。

圖1 Ⅱ級齒輪軸形狀

1.試驗分析

Ⅱ級齒輪軸技術要求：材料為17Cr2Ni2Mo鋼，滲碳淬火、回火后有效硬化層深3.7～4.2mm（550HV），齒面硬度57～61HRC，心部硬度33～42HRC。

Ⅱ級齒輪軸制造工藝流程：鍛件毛坯→正火→粗車→無損檢測→滾齒→滲碳→高溫回火→去碳層→淬火→低溫回火→噴丸→精車→無損檢測→磨齒。

滲碳工藝為：在650℃和880℃下各等溫2h，然后在930℃滲碳（采用循環(huán)滲碳工藝），滲碳后爐冷至860℃保溫2h，出爐坑冷至零件表面溫度在400℃以上，再進爐高溫回火10h。

淬火、回火工藝為：650℃等溫2h，再加熱至810℃保溫6h油冷，200℃低溫回火24h。

2.宏觀分析

裂紋的宏觀形態(tài)分布如圖2、圖3所示，可以看出裂紋具有以下特點：

圖2 裂紋的宏觀形態(tài)

圖3 有裂紋齒面的另一面

（1）裂紋僅處于磨削后的一側齒面，且集中處于齒面根部磨削量較多的部位，另一側磨量少的部位和其他部位均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

（2）裂紋都集中在齒面的同一方向，而另一方向表面沒有裂紋，形態(tài)呈彎曲狀和少許網絡狀。

一般情況下，磨削裂紋只存在磨齒加工的齒面上，有時呈平行條狀，有時呈彎曲網絡狀，其方向一般垂直于磨削方向，其宏觀形態(tài)大致相同。

3.燒傷檢查及材質分析

將齒面清洗干凈后進行酸蝕燒傷檢查，結果如圖4所示，裂紋處的齒面有比較嚴重的淬火燒傷，而無裂紋的齒面均無淬火燒傷特征，在靠近齒根處只有輕微的回火燒傷。

圖4 不同部位的燒傷情況

齒輪軸材質成分見表1。試驗結果表明齒輪軸的各種化學成分均符合JB/T6395—1992標準。

表1 材質17Cr2Ni2Mo化學成分（質量分數(shù)） （%）

4.齒輪軸熱處理質量檢測

（1）齒面硬度檢測 Ⅱ級齒輪軸裂紋處滲碳層表面硬度50.5～52.0HRC，不符合技術要求；另一側無裂紋齒面硬度57.5～58.5HRC，有效硬化層深3.9mm，符合技術要求。

（2）裂紋處滲碳層表面硬度梯度 如表2所示，裂紋處硬化層深約3.20mm，不符合要求。

表2 裂紋處滲碳層表面硬度梯度

（3）金相組織檢查 非金屬夾雜物按GB/T10561—1989評定，非金屬夾雜物為1級。在帶有裂紋的齒上取樣，無燒傷的一側表層滲碳層組織為回火馬氏體、少量殘留奧氏體和碳化物，碳化物呈斷續(xù)的網絡趨向分布（見圖5），按JB/T6141.3—1992評定，馬氏體2級、碳化物2～3級、殘留奧氏體1級，均符合要求。中心組織為粒狀貝氏體和少量低碳馬氏體（見圖6）。

圖5 齒面無燒傷處滲碳組織 400×

圖6 中心組織 500×

在另一側有裂紋和燒傷處的齒面打磨拋光浸蝕后觀察，淬火燒傷組織為淬火馬氏體，回火燒傷組織為托氏體和索氏體。裂紋貫穿于淬火和回火燒傷區(qū)（見圖7），經放大后其淬火和回火燒傷的過渡區(qū)組織如圖8所示。

5.斷口裂紋微觀形態(tài)檢查

在淬火燒傷處切取試樣，浸蝕拋光后檢查，表層有0.07～0.08mm淬火燒傷層，下面0.8mm處為回火燒傷層。裂紋由表面淬火燒傷層開始向中心擴展，貫穿于回火燒傷層后呈“人”字形，深度為1.0～1.3mm，平行于表面沿晶擴展（見圖9）。

圖7 齒表面燒傷區(qū)組織和裂紋形態(tài) 100×

圖8 淬火燒傷和回火燒傷的過渡區(qū)的組織形態(tài) 500×

圖9 表層白色為淬火燒傷區(qū)，黑色為回火燒傷區(qū) 50×

裂紋起始部位和裂紋尾部如圖10、圖11所示，裂紋起源于表層淬火馬氏體區(qū)，穿過回火燒傷區(qū)，尾部處于滲碳、淬回火后的馬氏體區(qū)。

圖10 裂紋起始部位形態(tài) 400×

圖11 裂紋尾部形態(tài) 400×

6.試驗結果分析

通過以上分析，可以看出Ⅱ級齒輪軸化學成分和金相組織合格，沒有發(fā)現(xiàn)其他冶金缺陷，無裂紋齒面的表面硬度和硬化層深度合格，而裂紋處表面硬度和有效硬化層深度不符合技術要求，說明由于裂紋處變形較大，造成磨量增加而使得表面硬度下降和有效硬化層深度減少。

齒兩面的齒根部位磨削量明顯不同，磨量較多的一側出現(xiàn)裂紋，而磨量少的另一側無裂紋。裂紋出現(xiàn)在較嚴重的淬火燒傷部位，說明磨削量較大的一側，由于砂輪與齒面劇烈摩擦，產生很高的溫度，隨后被切削液迅速冷卻，使得齒面局部淬火，產生很大的熱應力和組織應力，引起塑性變形。同時砂輪在劇烈摩擦時會產生強大的拉應力，當這些應力的合力超過材料的抗拉強度時，就會產生裂紋。從斷口微觀形態(tài)可以看出，裂紋處的齒面確實存在磨削燒傷現(xiàn)象，這與金相組織和硬度檢測結果完全一致，微觀檢查結果斷口沿晶斷裂也與磨削裂紋以沿晶斷裂為主相吻合，以上綜合分析，說明裂紋的產生與磨削有關。

7.磨削裂紋的預防措施

要減少磨削裂紋的發(fā)生，一方面要保證齒輪軸熱處理的內在質量，另一方面要選擇適當?shù)哪ハ鞴に?。當然其他方面因素也不容忽視，如材料的冶金質量、齒輪軸的磨齒條件和環(huán)境等。

（1）熱處理質量控制。一方面要保證金相組織，如碳化物控制在1～3級，保證獲得彌散分布細顆粒狀碳化物；馬氏體和殘留奧氏體為1～4級，獲得細針隱晶馬氏體，避免產生粗大針狀馬氏體，同時要控制殘留奧氏體數(shù)量，防止齒輪軸在磨齒時產生組織轉變，產生較大的組織應力。另一方面，通過優(yōu)化熱處理工藝，提高各方面均勻性，減少熱處理變形，從而減少磨量。此外，低溫回火溫度要適當，保溫時間要充足，改一次回火為二次回火；淬火后，齒面噴丸強化，減少氧化脫碳，以獲得良好的表面強度和應力分布，從而提高熱處理質量。

（2）磨削工藝控制 磨齒時產生的磨削熱，使齒面磨削區(qū)域局部產生很大的熱應力和組織應力。為了減少磨削熱，減小切削力，盡量消除磨齒工序前后的冷熱溫差，重點考慮選擇中軟硬度的砂輪；改進磨削工藝、減小切削量，改善冷卻條件，防止磨削溫度升高。同時，校好磨齒基準，減少齒面兩側磨量不均，控制磨齒質量。