煤機(jī)行走齒輪裂紋原因分析

■ 許仁偉，顧曉明，王秀萍

目前采煤機(jī)均采用無(wú)鏈牽引方式，行走齒輪是采煤機(jī)行走的重要組成部分，其模數(shù)mn可達(dá)到40以上。采煤機(jī)齒輪熱處理的突出特點(diǎn)為大模數(shù)輪齒的心部硬度要求達(dá)到38HRC以上，以保證足夠的彎曲疲勞性能，因此行走齒輪常采用高淬透性的18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4或18CrNiMo7-6材質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)煤機(jī)行業(yè)常用18Cr2Ni4WA及20Cr2Ni4材質(zhì)，此兩種滲碳鋼端淬數(shù)值下降平緩。

某圖號(hào)行走齒輪(見(jiàn)圖1)，材料為18Cr2Ni4WA，該產(chǎn)品采用滲碳后油淬火工藝，在回火后發(fā)現(xiàn)滲碳齒部有嚴(yán)重的貫穿型裂紋(見(jiàn)圖2)。

1.熱處理工藝

開(kāi)裂事件后對(duì)行走齒輪熱處理工藝進(jìn)行調(diào)查，其采用滲碳后降溫淬火路線，行走齒輪工藝硬化層深3.0～3.5mm，滲碳溫度940℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%，擴(kuò)散碳勢(shì)0.72%，滲碳后降溫到820℃均溫后淬火，油溫60℃，在油槽冷卻時(shí)間為0.5h，回火工藝為160℃保溫4h。

對(duì)該工件對(duì)應(yīng)的鍛件奧氏體晶粒度檢查，發(fā)現(xiàn)其晶粒度為混晶，呈現(xiàn)粗晶3.5級(jí)60%，細(xì)晶6.5級(jí)40%，鍛件奧氏體晶粒度試驗(yàn)采用的工藝為930℃保溫5h后淬火，采用苦味酸腐蝕奧氏體晶粒度。

圖1 行走輪形貌及尺寸

圖2 輪齒裂紋

2.檢驗(yàn)

對(duì)工件裂紋形貌檢查，選取開(kāi)裂處切取一個(gè)單齒，暴露裂紋面，裂紋面宏觀檢驗(yàn)，裂紋面形貌一致，呈現(xiàn)應(yīng)力型裂紋形貌，如圖3所示。

圖3 解剖取樣

（1）化學(xué)成分 18Cr2Ni4WA化學(xué)成分要求及實(shí)測(cè)值如附表所示，本體解剖的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。

（2）應(yīng)力測(cè)試 為了測(cè)試裂紋工件的應(yīng)力情況，對(duì)工件裂紋處及附近無(wú)裂紋處進(jìn)行了殘余應(yīng)力檢測(cè)，采用愛(ài)思特X射線衍射儀，檢測(cè)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)如下：①裂紋區(qū)域兩點(diǎn)：－161MPa、－187MPa。②無(wú)裂紋的正常區(qū)域三點(diǎn)：－189MPa、－28MPa、－103MPa。

殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果顯示工件的裂紋區(qū)與非裂紋區(qū)均為殘余壓應(yīng)力且應(yīng)力結(jié)果相當(dāng)，表明開(kāi)裂后工件應(yīng)力得到釋放，最終應(yīng)力呈現(xiàn)常規(guī)滲碳層較小壓應(yīng)力的基本特征。

（3）微觀組織檢驗(yàn) 對(duì)端面裂紋附近齒部進(jìn)行磨制拋光后腐蝕，如圖4所示，按照J(rèn)B/T6141.3標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，組織檢測(cè)結(jié)果為碳化物1級(jí)，馬氏體2級(jí)，表面局部存在較長(zhǎng)的馬氏體針，殘留奧氏體2級(jí)，心部鐵素體1級(jí)。

圖4 齒部金相組織

對(duì)裂紋垂直面心部檢測(cè)發(fā)現(xiàn)組織局部較粗大，如圖5所示，對(duì)此裂紋區(qū)域表層和心部晶粒度進(jìn)行苦味酸腐蝕，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)表層晶粒度和心部晶粒度均有混晶現(xiàn)象，混晶程度遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求范圍，表層混晶：粗晶4.5級(jí)30%，細(xì)晶7級(jí)70%，心部混晶：粗晶3級(jí)30%，細(xì)晶7級(jí)70%。

圖5 裂紋處表面金相組織

3.分析與結(jié)論

圖 6

18Cr2Ni4W為高淬透性滲碳鋼，無(wú)珠光體及鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū)，心部在滲碳空冷后獲得貝氏體及局部馬氏體組織（見(jiàn)圖7），其高淬透性特征可保證大模數(shù)行走輪心部完全淬透，輪齒心部以及壁厚中部為完全馬氏體組織，馬氏體的比體積大于熱處理前的貝氏體比體積，淬火后馬氏體組織含量越高，行走輪體積膨脹量越大，組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的淬火應(yīng)力越大。

圖7 心部空冷后貝氏體及馬氏體組織

本體化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測(cè)結(jié)果 （%）

此18C r2N i4W工件采用940℃滲碳降溫淬火工藝，此工藝相比滲碳后重新加熱淬火工藝而言內(nèi)應(yīng)力較大，且在淬火后回火時(shí)間較短，回火未充分從而引起淬火應(yīng)力釋放不完全，此工藝路線是回火后開(kāi)裂的一個(gè)誘因。對(duì)本體解剖微觀組織檢測(cè)，裂紋區(qū)域的組織較為粗大，對(duì)應(yīng)的晶粒度存在較嚴(yán)重混晶現(xiàn)象，混晶將導(dǎo)致工件淬火后內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，工件對(duì)應(yīng)鍛件試樣奧氏體晶粒度也為混晶，混晶是導(dǎo)致工件開(kāi)裂的另一個(gè)誘因。此開(kāi)裂事件也表明鍛件奧氏體晶粒度檢測(cè)結(jié)果與滲碳降溫淬火的晶粒度長(zhǎng)大傾向相同，鍛件奧氏體晶粒度混晶者不可采用相同滲碳溫度的降溫淬火工藝。

18Cr2Ni4W為低碳中合金滲碳鋼，Cr、Ni、W元素含量遠(yuǎn)高于常規(guī)的20CrMnMo、20CrNiMo等滲碳鋼，合金元素含量越高，其在均溫時(shí)的合金均勻度指標(biāo)上要弱于合金含量相對(duì)低的滲碳鋼，3.0～3.5mm硬化層需要40h以上滲碳時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間滲碳容易局部晶粒異常長(zhǎng)大，在降溫淬火時(shí)不會(huì)細(xì)化滲碳晶粒度，最終淬火后滲碳混晶得以保留。一般18Cr2Ni4W采用滲碳后二次高溫回火再重新加熱淬火路線，采用此熱處理工藝可以保證殘留奧氏體等金相組織性能基礎(chǔ)上產(chǎn)生較小的淬火應(yīng)力。若18Cr2Ni4W需要采用滲碳降溫淬火工藝，則必須控制鍛件奧氏體晶粒度指標(biāo)不能存在混晶現(xiàn)象，鍛件奧氏體晶粒度檢測(cè)的溫度及保溫時(shí)間需要與滲碳溫度及保溫時(shí)間基本相同，同時(shí)需要控制淬火冷卻介質(zhì)的冷卻速度以及充足的回火時(shí)間，以減小淬火應(yīng)力。

如上分析，此圖號(hào)行走齒輪裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)闈B碳降溫淬火后回火時(shí)間較短以及嚴(yán)重混晶導(dǎo)致淬火應(yīng)力無(wú)法完全釋放，淬火應(yīng)力超出材料抗拉強(qiáng)度后產(chǎn)生開(kāi)裂。