青海華鼎齒輪箱有限責(zé)任公司熱處理分廠 （西寧 810021） 劉志鋒 馬長(zhǎng)海

1. 弧齒錐齒輪情況

我公司為國(guó)內(nèi)某大型公司礦車后橋差速器生產(chǎn)的弧齒錐齒輪，材料為20Cr2Ni4A，該弧齒錐齒輪的從動(dòng)齒輪最大直徑600mm，厚度96mm，螺旋角30°。主動(dòng)齒輪：最大外圓直徑210mm，長(zhǎng)度430mm，螺旋角30°。設(shè)計(jì)要求：齒面滲碳層深1.70～2.0mm，齒面硬度58～64HRC，心部硬度33～44HRC。

目前，國(guó)內(nèi)加工該齒輪的方法一般為：正火+高溫回火→粗車→二次正火+高溫回火→精車→銑齒→滲碳、退火→淬火→磨齒→配接觸區(qū)。該弧齒錐齒輪使用在大噸位的礦車上，使用環(huán)境和工作的路況比較惡劣，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的齒輪一般使用壽命在3500～4500h就會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象。而國(guó)外進(jìn)口的弧齒錐齒輪使用壽命均在10000h以上，加工方法采取研齒工藝。但由于進(jìn)口渠道比較復(fù)雜，采購(gòu)周期長(zhǎng)，價(jià)格高，難以滿足國(guó)內(nèi)的需求。針對(duì)上述情況，對(duì)該弧齒錐齒輪進(jìn)行深入研究，并與進(jìn)口弧齒錐齒輪進(jìn)行對(duì)比，最終找出了出現(xiàn)問(wèn)題的原因。

2. 失效原因分析

主動(dòng)、從動(dòng)齒輪均有打齒和嚴(yán)重的剝落、點(diǎn)蝕現(xiàn)象。打齒斷口屬于脆性斷裂，即準(zhǔn)解理斷裂，斷口比較平整，中間下凹，呈小盤子形狀。點(diǎn)蝕、剝落形狀、大小不一，深度2～3mm，呈蜂窩狀，部分區(qū)域有嚴(yán)重的粘連和超負(fù)荷的接觸痕跡。

斷裂、點(diǎn)蝕、剝落的可能原因主要有：①原材料成分不合格，組織結(jié)構(gòu)不對(duì)，有帶狀偏析或非金屬夾雜物等。②齒面硬度不均，有軟點(diǎn)。③齒面接觸有移動(dòng)和滑動(dòng)，潤(rùn)滑不好。④齒輪長(zhǎng)期受較大載荷的沖擊。出現(xiàn)上述破壞現(xiàn)象，按照失效分析宏觀判斷：斷口屬于接觸性疲勞斷裂。

（1）材質(zhì)方面 相比設(shè)備與工藝，我國(guó)的工藝材料和國(guó)際水平差距更大。主要表現(xiàn)在品種不全，質(zhì)量不高，不能滿足熱處理優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的需要。隨著我國(guó)煉鋼工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)材料在主要元素的含量上基本與發(fā)達(dá)國(guó)家一致，但在一些微量元素的控制上還存在一定的差距。表1為我國(guó)20Cr2Ni4A材料化學(xué)成分含量情況。歐洲、美國(guó)、日本等在控制P、S、Cu的含量上比我國(guó)要嚴(yán)格一點(diǎn)，含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般均控制在0.03%以下。這些微量元素對(duì)材料的性能和熱處理變形有很大的影響。

表1 我國(guó)20Cr2Ni4A材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（2）熱處理方面 目前國(guó)內(nèi)采用滲碳的設(shè)備基本都是可控氣氛多用爐。在滲碳的深度、梯度及滲后的組織方面基本能夠達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，淬火后的硬度也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。但是，由于我國(guó)鋼材本身的質(zhì)量不高，再加上熱處理工裝夾具設(shè)計(jì)的不合理，以及冷熱加工匹配不當(dāng)，造成較大的熱處理變形，為后序機(jī)加工埋下了隱患。表2為從動(dòng)弧齒錐齒輪打齒、剝落、點(diǎn)蝕后的理化分析情況。

從表2結(jié)果可以看出：三個(gè)試樣的基體硬度和齒頂硬度基本相同，也符合工藝設(shè)計(jì)的要求。但凸、凹面的硬度很低，比設(shè)計(jì)硬度低7～11.5HRC，且三個(gè)試樣硬度不相同。造成這種現(xiàn)象的原因是：由于熱處理的變形過(guò)大，在后序的磨齒過(guò)程中齒面的磨量不一致，個(gè)別齒磨量較大，導(dǎo)致齒面硬度變低，這為齒輪早期出現(xiàn)失效埋下了隱患。

表2 從動(dòng)弧齒錐齒輪打齒、剝落、點(diǎn)蝕后的理化分析

（3）機(jī)加工方面 齒面兩側(cè)磨量不一致甚至磨量太大。對(duì)于20Cr2Ni4A來(lái)說(shuō)，當(dāng)齒面單邊磨量不超過(guò)0.127mm時(shí)，磨削深度不會(huì)危及到滲碳淬火齒輪的使用壽命，且硬度不會(huì)降低多少。但超過(guò)0.127mm時(shí)，齒面硬度可能會(huì)降低2HRC，如果深度更大，硬度還會(huì)降低1～2HRC，甚至更多?；↓X錐齒面出現(xiàn)打齒、剝落、點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其主要原因就是齒面磨削后的硬度太低（基本在52～55HRC之間），無(wú)法抗擊強(qiáng)大的疲勞沖擊。

3. 改進(jìn)方法

（1）鑒于我國(guó)熱處理工藝材料的特殊性，在選材上，除加大毛坯材料的檢驗(yàn)力度、鍛造方式的監(jiān)控以外，還要對(duì)原材料供貨時(shí)硬度、試樣的力學(xué)性能以及內(nèi)部組織進(jìn)行檢查。同時(shí)調(diào)整熱處理的工藝過(guò)程，將二次正火+高溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，這樣更有利于齒輪材料組織的深一步改變，后序熱處理的變形會(huì)大大減少。

（2）采用冷處理對(duì)淬火后齒輪進(jìn)行二次處理，相當(dāng)于對(duì)齒輪進(jìn)行二次淬火，這樣會(huì)減少磨削裂紋的產(chǎn)生，穩(wěn)定淬火后的幾何尺寸，并能提高齒面硬度2～3HRC，在一定程度上延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。

（3）采取熱處理前磨齒、熱處理后不磨齒的工藝方案，并配好接觸區(qū)。滲碳時(shí)嚴(yán)控?zé)崽幚淼淖冃?，如果熱處理變形很小，可適當(dāng)?shù)貙?duì)從動(dòng)齒輪磨齒，但必須嚴(yán)控磨齒時(shí)齒面的磨削量，磨量最好不要超過(guò)0.15mm。