42CrMo4齒輪圈裂紋分析

堯偉 朱宇紅

【摘 要】材質(zhì)為42CrMo4的齒輪圈在熱處理之后在各個齒輪齒尖與齒輪端面倒角處，有沿齒寬方向的裂紋。為了查明是鍛造還是后期中高頻淬火以及機加工產(chǎn)生的裂紋：用光電直讀光譜儀、光學顯微鏡及顯微硬度計對裂紋出進行了化學成分、宏觀以及微觀分析。分析結(jié)果表明：齒輪圈的化學成分符合相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)要求，齒輪圈產(chǎn)生裂紋是由于中高頻淬火工藝不當產(chǎn)生淬硬層以及加工的表面粗糙度較粗糙是造成裂紋出現(xiàn)的主要因素。

【關(guān)鍵詞】齒輪圈 淬硬層 中高頻淬火 粗糙度

某鍛造廠生產(chǎn)的大型環(huán)鍛圈，主要用加工成石油行業(yè)的大型齒輪圈。其材質(zhì)：42CrMo4，規(guī)格：￠1890×￠1600×168；其鍛造熱處理工藝：淬火880～840℃，回火580～620℃，鍛造熱處理完畢后客戶在進行中高頻感應淬火及機加工后發(fā)現(xiàn)在各個齒輪齒尖與齒輪端面倒角處，有沿齒寬方向的裂紋，客戶投訴給單位帶來了嚴重的負面影響。為了探索螺裂紋原因，用光電直讀光譜儀、光學顯微鏡及顯微硬度計對裂紋出進行了化學成分、宏觀以及微觀等分析。

1 實驗過程與結(jié)果

1.1齒輪化學成分分析

其材質(zhì)：42CrMo4，執(zhí)行客標，齒輪化學成分是通過美國XXX型光電直讀光譜儀進行光譜分析的，結(jié)果見表1，觀察表1知產(chǎn)生裂紋齒輪的化學成分符合客標要求。

表1 斷裂螺栓化學成分分析結(jié)果（wB）%

元素 C Si Mn P S Cr Mo

標準值 Min 0.35 -- 0.60 -- -- 0.90 0.15

Max 0.45 0.40 0.90 0.025 0.035 1.20 0.30

測量值 0.41 0.23 0.77 0.011 0.003 1.15 0.207

1.2宏觀分析

齒輪圈宏觀形貌如圖1所示，在各個齒輪齒尖與齒輪端面倒角處，有沿齒寬方向的裂紋，圖2所示， 從齒尖表面宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)加工的表面粗糙度較粗糙（圖3）以及從齒尖橫截面形貌觀察，發(fā)現(xiàn)表面淬火不均勻（圖4），這些是造成裂紋出現(xiàn)的主要因素。

圖1、齒輪圈宏觀形貌 圖2、齒輪圈裂紋形貌 圖3、齒尖表面形貌

圖4、齒尖表面淬火情況 圖5、齒輪圈取樣部位 圖6、裂紋處非金屬夾雜物 100X

1.3微觀分析

從齒輪圈齒尖處制取樣品，進行金相檢驗、硬度性能試驗，位置如圖5所示。

1.3.1裂紋處與非裂紋處非金屬夾雜物

非金屬夾雜物分析結(jié)果：裂紋處非金屬夾雜物（圖6）：粗系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5，DS0；細系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5；裂紋處非金屬夾雜物（圖7）：粗系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5，DS0：細系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5。從（圖6）可知裂紋剛健有力，裂紋端部呈銳角，根據(jù)非金屬夾雜物金相分析可知，裂紋處及其他區(qū)域非金屬夾雜物有夾雜嚴重現(xiàn)象，所以裂紋的產(chǎn)生不是由于原材料中含有大量的非金屬夾雜物而產(chǎn)生的。

圖7、無裂紋處非金屬夾雜物100X 圖8、裂紋處組織 500X 圖9、齒尖表面組織100X

1.3.2裂紋處脫碳層

脫碳層分析結(jié)果如（圖8、9）：裂紋兩側(cè)無脫碳，齒尖表面無脫碳；由于裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，可判斷該裂紋不是在鍛造的時候產(chǎn)生的。

1.3.3齒輪表面顯微組織和顯微硬度

齒尖表面：距齒尖表面0.2mm內(nèi)有多條細小裂紋并有回火馬氏體存在，所以在齒尖表面有淬硬層見（圖10、11）；換一個視場看顯微組織發(fā)現(xiàn)組織為：回火索氏體在這個視場上的齒尖表面又無淬硬層（圖12、13）。同時在有淬硬層和無淬硬層上打顯微硬度（HV1）結(jié)果見表2。分析結(jié)果：齒尖區(qū)域組織、硬度不均勻，有些區(qū)域未淬硬（組織為回火索氏體），有些區(qū)域已淬硬（組織為回火馬氏體），局部淬火在正常的工藝和區(qū)域可以達到表面強化和獲得良好的表面壓應力的目的，但在硬化層里面會產(chǎn)生組織差異應力，淬硬區(qū)和不合理的淬硬層，可以引起基體內(nèi)部或局部表面的淬火開裂[1]，說明表面淬火不均勻，中高頻感應淬火工藝不穩(wěn)定。

表2 淬硬層和非淬硬層顯微硬度（HV1）

淬硬層顯微硬度（HV1） 非淬硬層顯微硬度（HV1）

613 607 319 313

圖10、齒尖表面組織 100X 圖11、齒尖表面組織500X

圖12、齒尖表面組織 500X 圖13、距表面10mm處組織500X

2 改進措施

針對上述情況，采取了以下2項改進措施：（1）提高機加工表面的粗糙度，有效防止機加工產(chǎn)生的裂紋；（2）制定合理的中高頻淬火工藝、有效的控制感應淬火圈的溫度均勻性、并及時回火處理。

3 結(jié)語

42CrMo4經(jīng)感應表面淬火以及回火后，顯微組織從表面到中心均分為淬硬層、過渡區(qū)和基體。淬硬層為回火馬氏體，過渡區(qū)為回火馬氏體與回火索氏體的混合組織，基體為回火索氏體。而齒尖區(qū)域組織、硬度不均勻，有些區(qū)域未淬硬（組織為回火索氏體），有些區(qū)域已淬硬（組織為回火馬氏體），說明表面淬火不均勻以及機加工太粗糙。這些因素是產(chǎn)生上述裂紋的主要原因。

參考文獻：

[1]孫盛玉.《熱處理裂紋講座》.《理化檢驗》，92.6-94.1.

[2]機械工程手冊（第三卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[3]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海：上海科學技術(shù)版社，1980.

[4]邢雷，李峰，高艷麗.40Mn鋼的感應加熱表面淬火的研究[J].一重技術(shù)，2003，（4）：28-29.

[5]李元洪，劉百宣，劉華等.42CrMo轉(zhuǎn)向器齒輪冷鍛及熱處理工藝的試驗研究[J].熱加工工藝，2010，39（1）：92-93.