□ 趙清林 □ 湯一兵

湘潭電機股份有限公司 海上風力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室 湖南湘潭 411101

電動輪自卸車是大型露天礦主要運載工具，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電動輪自卸車運行。露天礦大都在氣候嚴寒的北方，道路崎嶇，運行條件惡劣，行星減速系統(tǒng)的使用壽命成為電動輪自卸車質(zhì)量好壞的標志，歐美國家對電動輪的質(zhì)保期為10 000 h的使用壽命，我公司對電動輪的質(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)使用幾百小時就斷齒，每年賠償幾百萬元，所以必須對內(nèi)齒輪的加工工藝進行改進，提高其使用壽命。

內(nèi)齒輪壽命主要受原材料、機加工、熱處理的影響，所以有必要對內(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)、機加工及與熱處理的協(xié)調(diào)配合以及熱處理工藝進行全面的試驗分析研究，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淬火。其失效形式：大部分沿齒根開裂，小部分斷齒（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、機加工、熱處理的影響。原材料不純凈，雜質(zhì)超標，會降低齒輪的疲勞壽命；機加工的精度、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)沒有達到正確的金相結(jié)構(gòu)組織和高的綜合機械性能，將嚴重降低齒根的強度和齒的韌性，熱處理感應淬火要使每個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，對機加工與熱處理的協(xié)調(diào)配合作出調(diào)整，對熱處理工藝進行全面的試驗分析，找出產(chǎn)生內(nèi)齒輪早期失效的主要問題，提出解決辦法，制定出切實可行的工藝操作管理規(guī)范。

3 試驗過程及結(jié)果分析

3.1 原材料質(zhì)量檢查和控制

對早期失效的內(nèi)齒輪進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，嚴重時鋼材淬火產(chǎn)生開裂。合金鋼GB3077（老國標）規(guī)定非金屬夾雜不能大于3級，齒輪鋼的國家標準（GB8536）對非金屬夾雜要求嚴格得多，例如感應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。改進的方法是煉鋼時必須采用循環(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，達到降低非金屬夾雜物級別的目的。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 類非金屬夾雜級別分別達到 0、0、0、1 級（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)和感應淬火再也沒有出現(xiàn)開裂。鍛造時控制鍛造比大于7和終鍛溫度高于950℃，成型后進行正火細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)試驗表

▲圖3 鋼中非金屬夾雜3級（放大100倍）

▲圖4 鋼中非金屬夾雜1級（放大100倍）

3.2 熱處理質(zhì)量檢查和控制

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

對早期斷齒的內(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，其綜合機械性能不高，達不到GB3077和設計要求。為此對調(diào)質(zhì)進行了試驗，結(jié)果見表1。

▲圖6 重做感應器后的淬硬層形狀

根據(jù)調(diào)質(zhì)試驗，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也沒有達到淬火的效果，高溫回火后其沖擊值28J、29J、34J 沒 有 達 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)試驗可以得出：調(diào)質(zhì)時的淬火硬度≥50 HRC以上，高溫回火后才能得到高的綜合機械性能和高的斷裂韌性。而要保證調(diào)質(zhì)時的淬火硬度≥50 HRC以上，淬火加熱時必須使工件不產(chǎn)生氧化和脫碳。在對調(diào)質(zhì)試樣進行解剖金相檢查發(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，嚴重損害機械性能和斷裂韌性。無碳貝氏體是由于淬火時冷卻速度慢產(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度和韌性，同時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險，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

對早期斷齒內(nèi)齒輪的輪齒心部金相檢查發(fā)現(xiàn)，感應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，在承受大沖擊力時容易碎裂剝落。為此重制感應器，重做工藝試驗，確定工藝參數(shù)，經(jīng)分別對同一個齒的上、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）的效果測試，均得到較理想的淬硬層形狀。質(zhì)量控制方法是感應器修理后必須重新做工藝試驗，重新確定工藝參數(shù)，淬硬層形狀和厚度、硬度都合格后感應器才能使用。

3.3 機加工質(zhì)量檢查和控制

機加工質(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)檢查不出過渡圓弧（見圖7），對全部開裂內(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，測量出合格的過渡圓弧和光潔度才能使用，內(nèi)齒輪的每個過渡圓弧都要檢查。

4 改進后的效果

通過多次檢查分析，找出了各種早期內(nèi)齒輪開裂的原因，有針對性采取措施，對每道工序提出質(zhì)量控制要求，嚴格按質(zhì)量控制要求進行工序檢查，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，受力復雜，超重超速，承受大沖擊力。其加工工序多，涉及鑄錠、鍛造、機加工、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格質(zhì)量指標要求并嚴格檢查，必須對鑄錠的非金屬夾雜、氫、氧含量嚴格控制，鍛造比≥7，正火＋高溫回火狀態(tài)交貨。調(diào)質(zhì)時必須開槽后調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)的淬火硬度必須≥50 HRC，機加工時對精度、齒溝過渡圓弧、光潔度進行嚴格檢查控制，感應淬火要得到設計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，嚴重時造成早期斷齒開裂。