■ 馮顯磊，李炎，胡良波，王忠，王孟，謝玲珍

推土機(jī)齒輪裂紋形態(tài)各異，既有原材料裂紋、鍛造過(guò)程中裂紋、熱處理過(guò)程裂紋，又有齒輪加工過(guò)程裂紋、服役過(guò)程中失效裂紋。這些裂紋形態(tài)各異，宏觀上很難區(qū)分裂紋的產(chǎn)生根源，對(duì)于每一種裂紋的分析必須綜合考慮鍛造、原材料、熱處理工藝、加工工藝及服役條件，并結(jié)合金相組織、電鏡掃描圖像科學(xué)分析，才能正確地找出產(chǎn)生某類型裂紋的根源，從而反饋到生產(chǎn)過(guò)程并合理地調(diào)整工藝、加工過(guò)程。

1. 淬火裂紋

該齒輪材質(zhì)為S48C，采用中頻感應(yīng)集中淬火，淬火后齒輪掉齒。圖1金相照片顯示，該裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳層，裂紋周圍無(wú)明顯氧化物，裂紋末端呈尖角形；圖2金相淬火組織為中碳馬氏體，級(jí)別2級(jí)，呈粗大針狀；材料合金計(jì)算DI值36～37；晶粒度6級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該件生產(chǎn)采用感應(yīng)加熱功率過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的直接原因。但是誘發(fā)淬火裂紋的要因往往不止一種，從以上檢查分析材料合金的DI值達(dá)到37，過(guò)高DI值也是誘發(fā)淬火裂紋的又一要因。

分析建議：

（1）對(duì)于每批投入工廠生產(chǎn)的齒圈，在不知材料具體成分的情況下，應(yīng)用光譜儀檢測(cè)其化學(xué)成分，并進(jìn)行首件參數(shù)試驗(yàn)。

（2）合理配比材料的合金含量，合金DI值應(yīng)控制在24～36，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)齒輪的模數(shù)、齒厚等參數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際試驗(yàn)情況詳細(xì)劃分區(qū)間段，并采用不同的淬火參數(shù)，比如對(duì)于DI值在高限的可適當(dāng)降低加熱功率、減少加熱時(shí)間，提高淬火冷卻介質(zhì)濃度等參數(shù)。對(duì)于DI值在低限的可適當(dāng)提高加熱功率、延長(zhǎng)加熱時(shí)間，降低淬火冷卻介質(zhì)濃度等參數(shù)。

（3）坯料的存放不當(dāng)易混料，對(duì)齒輪材料管理，應(yīng)嚴(yán)格做到材料澆注、鍛造、正火、調(diào)質(zhì)、感應(yīng)淬火等每道工序都應(yīng)有相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告，并有材料標(biāo)識(shí)卡管理。鍛造后應(yīng)嚴(yán)格做到無(wú)帶狀組織、魏氏組織及嚴(yán)重的偏析組織；鍛造比≥6；正火后，要保證正火充分，奧氏體晶粒度≥5級(jí)。

2. 鍛造折疊

鍛造折疊是齒輪鍛造過(guò)程中的一大危害質(zhì)量問(wèn)題，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，正確地分析產(chǎn)生根源，將給企業(yè)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 裂紋尾端（100×）

圖2 淬火部組織（500×）

就我廠發(fā)現(xiàn)的齒輪鍛造折疊問(wèn)題主要集中在齒輪的輪輻折疊、齒頂折疊、齒根折疊等。如圖3所示，該齒輪經(jīng)車間調(diào)質(zhì)粗滾齒后，在齒面發(fā)現(xiàn)裂紋，剖檢后用金相顯微鏡觀察裂紋的形態(tài)及走向，如圖4所示。裂紋的周邊具有明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋末端呈樹(shù)杈形（見(jiàn)圖4b），放大裂紋的末端呈圓角形，可判定該齒輪在鍛造過(guò)程形成的鍛造折疊。

鍛造折疊的形成有各種原因，一種是由于相鄰金屬充填速度不均形成折疊空腔，高溫下在空腔的邊沿發(fā)生氧化脫碳；另一種是由于毛坯表面不清潔，存在毛刺、氧化皮等污物，鍛造時(shí)就易包裹在鋼件中， 形成折疊。還有一種常見(jiàn)形式，即在設(shè)計(jì)鍛造毛坯料時(shí)形狀不均，過(guò)大或過(guò)小，在鍛造過(guò)程中極易形成折疊。

分析建議：

（1）鍛造前要將毛坯表面清理干凈，去除毛刺、污物，可拋丸處理。

（2）要合理設(shè)計(jì)鍛造毛坯的尺寸。

（3）嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)操作流程，加強(qiáng)鍛造后的超聲波無(wú)損檢測(cè)，避免宏觀觀察不到裂紋的質(zhì)量問(wèn)題件流入下道工序，造成不必要的損失。

3. 過(guò)熱引起淬火裂紋

該齒輪淬火后沿齒頂產(chǎn)生橫裂紋（見(jiàn)圖5a），剖檢裂紋觀察裂紋形態(tài)圓鈍，裂紋兩側(cè)晶粒粗大，圖5b顯示晶粒較為粗大，且裂紋中填充氧化物夾雜。主要原因是始鍛溫度接近熔點(diǎn)，爐氣中氧化性氣氛進(jìn)入晶界，造成氧化，晶粒粗大，在后續(xù)淬火過(guò)程中材料的淬透性也越高，淬火應(yīng)力越大，加上氧化物夾雜，故產(chǎn)生了淬火裂紋。

分析建議：在鍛造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制始鍛溫度與終鍛溫度。

4. 齒輪服役過(guò)程中失效裂紋

該齒輪為某機(jī)型推土機(jī)在惡劣工況下，服役2500h后發(fā)生失效斷齒，斷齒宏觀斷口如圖6所示，從宏觀斷口看具有明顯的疲勞源、疲勞區(qū)及瞬斷區(qū)，為典型的疲勞斷裂。圖7掃面電鏡具有明顯的河流花樣、舌狀花樣，判定該齒輪斷裂為脆性斷裂。從宏觀斷口看，齒輪的齒面具有明顯的點(diǎn)蝕，且集中于疲勞源區(qū)，齒輪在嚙合服役時(shí)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展過(guò)程中斷面處不斷摩擦擠壓，顯示光亮平滑。疲勞區(qū)是判斷齒輪疲勞斷裂的重要特征，從該齒輪斷口看，斷口比較光滑且分布有貝紋線，主要是由于齒輪嚙合服役時(shí)，偶然過(guò)載引起載荷變動(dòng)，使裂紋前沿線留下的弧狀臺(tái)階痕跡。從瞬斷區(qū)看，瞬斷區(qū)較大，說(shuō)明材料的韌性較差，脆性大。

圖3

圖4 裂紋（100×）

圖5

圖6 齒輪斷口宏觀照片

從圖8來(lái)看，齒輪在斷裂前齒面發(fā)生了明顯的點(diǎn)蝕，在齒輪嚙合過(guò)程中，由于接觸面最大綜合切應(yīng)力反復(fù)作用，在齒輪的接觸面若材料的抗剪屈服強(qiáng)度較低，則將在該處產(chǎn)生塑性變形。推土機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，尤其是在礦山、沼澤等環(huán)境中，齒輪嚙合時(shí)受到較大的沖擊，由于損傷逐步積累，直到齒輪表面最大綜合切應(yīng)力超過(guò)材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)（該齒輪材料的抗剪強(qiáng)度在450MPa），在齒輪嚙合的表面形成裂紋，裂紋的主受力側(cè)與齒面形成＜45°的傾斜角，如圖9所示。隨著液壓油的壓入，在齒輪再次嚙合時(shí)，液壓油被密封在裂紋內(nèi)，并形成高壓，迫使裂紋延伸擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度后，裂紋的尖端受到嚙合齒輪的重復(fù)摩擦、沖擊造成裂紋尖端應(yīng)力集中，就會(huì)產(chǎn)生二次裂紋，二次裂紋方向與原裂紋方向垂直，最終造成裂紋尖端脫落，形成點(diǎn)蝕坑，如圖10所示。

圖11為斷齒齒塊局部放大圖，可看出齒輪的倒角不規(guī)則，并存在毛刺，齒面的加工精度不高，也易造成麻點(diǎn)剝落。圖12為剖檢斷齒后淬硬層分布，從圖上可以看出齒輪的齒部已完全淬透，且淬火后回火溫度較低（160℃），造成齒部脆性較大，沖擊性能較差。

綜上所述，造成推土機(jī)終傳動(dòng)齒輪斷齒的主要原因有：

（1）推土機(jī)服役工況惡劣，操作者使用該設(shè)備移動(dòng)超負(fù)荷物體時(shí)，反復(fù)撞擊，造成推土機(jī)終傳動(dòng)齒輪受到超過(guò)材料本身抗剪強(qiáng)度的切應(yīng)力，長(zhǎng)期累積會(huì)在某一瞬間造成齒輪斷齒失效。

（2）裝配時(shí)，兩嚙合齒輪裝配不良，造成在嚙合過(guò)程中齒輪偏載，長(zhǎng)期使用過(guò)程中局部受力不均而失效。

圖7 斷口形貌

圖8 齒輪斷口側(cè)面照片

圖9 齒部主受力側(cè)齒面裂紋狀況（100×）

圖10 斷齒部形成的麻點(diǎn)剝落狀況（100×）

圖11 斷齒齒塊倒角

（3）齒輪表面加工精度不高，降低了接觸疲勞壽命。

（4）淬火過(guò)程中，齒部淬透，而齒部心部沒(méi)有良好的綜合力學(xué)性能，增加了脆性，而回火又不夠充分，造成齒部沖擊性能較差。

（5）齒部麻點(diǎn)是裂紋的起源點(diǎn)，接觸應(yīng)力大、摩擦力較大或表面質(zhì)量較差（燒傷、淬火不足、夾雜物）時(shí)，尤其是經(jīng)過(guò)中頻感應(yīng)淬火后的齒輪，因淬火冷卻介質(zhì)攪拌時(shí)產(chǎn)生泡沫附著于淬火工件表面，淬火時(shí)易產(chǎn)生軟點(diǎn)（淬火部表面硬度低點(diǎn)），都易產(chǎn)生麻點(diǎn)。

5. 滲碳齒輪磨削裂紋

該裂紋齒輪為某機(jī)型推土機(jī)一級(jí)滲碳齒輪軸，材質(zhì)如附表所示。其生產(chǎn)流程為：鍛造→車加工→粗、精滾齒→滲碳→高溫回火→精加工→淬火→低溫回火→磨齒加工→成品，裂紋產(chǎn)生在最后一步磨齒加工工序。

從宏觀照片圖13看出，齒表一側(cè)有一條長(zhǎng)約50mm的裂紋。通過(guò)圖14取樣看出裂紋為距表面2mm；在硬化層與基體交界處垂直于表面有一條10～15mm的裂紋。從微觀照片圖15看出裂紋處表面有一條白亮帶（0.10～0.15mm），通過(guò)顯微硬度測(cè)量，白亮帶硬度為618HV0.3，白亮帶以里硬度為396HV0.3。從硬度看：表面白亮帶表面為磨削過(guò)程的二次淬火組織，裂紋再次產(chǎn)生，并且產(chǎn)生裂紋一側(cè)均有白亮帶出現(xiàn)，金相組織判斷分析該齒輪軸滲碳層的殘留奧氏體量達(dá)到5級(jí)（JB/T 5944—1991），判定此裂紋為磨削淬火裂紋。

圖12 齒輪剖檢淬硬層分布

20CrMnMo滲碳齒輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖16齒輪表面磨削裂紋為常見(jiàn)磨削裂紋，裂紋呈龜裂狀，裂紋方向與磨削方向垂直，且裂紋深度較淺在0.3mm左右，該類裂紋多為磨削應(yīng)力性裂紋。由于滲碳工件在滲碳淬火后回火不夠充分，應(yīng)力沒(méi)有完全釋放，再加上磨削加工時(shí)進(jìn)給量過(guò)大，以及磨削熱等因素造成工件在磨削后表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂紋。

圖17為滲碳齒輪沿晶界產(chǎn)生的裂紋，該種裂紋也比較常見(jiàn)，主要是滲碳過(guò)程中保溫溫度過(guò)高造成晶粒長(zhǎng)大，淬火時(shí)沿晶界產(chǎn)生裂紋。該類裂紋比較明顯，往往淬火后宏觀檢查時(shí)就能發(fā)現(xiàn)。

綜上3類滲碳齒輪裂紋，產(chǎn)生的主要原因?yàn)闅埩魥W氏體過(guò)多（30%以上）、磨削進(jìn)給量過(guò)大、磨削熱過(guò)高、砂輪選用不合理等因素造成。解決此類問(wèn)題的有效方法為：

（1）滲碳時(shí)采用多用滲碳爐，嚴(yán)格控制爐內(nèi)碳勢(shì)（根據(jù)不同材質(zhì)的合金系數(shù)計(jì)算而得，如20CrMnTi最高控制在1.0左右），避免使用老式井式滲碳爐（即使采用也要增加碳勢(shì)自動(dòng)控制系統(tǒng)）。

（2）降低磨削時(shí)的進(jìn)給量（最后一步工序精磨控制在0.03～0.04mm）。

（3）確保磨削冷卻效果，時(shí)刻檢查磨削液噴灑位置，避免磨削液與磨削位置滯后現(xiàn)象。

圖13 裂紋齒輪表面

圖14 裂紋顯微照片（50×）

圖15

圖16

（4）合理選擇砂輪，在保證加工精度要求下，盡量選用粒度較大、硬度較軟的砂輪。

（5）滲碳淬火后，回火溫度不宜過(guò)低，在保證硬度要求下可適當(dāng)提高回火溫度，回火時(shí)間上確保在4～6h。

（6）滲碳過(guò)程中保溫溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，溫度過(guò)高會(huì)造成晶粒長(zhǎng)大，增加淬火裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，一般多用爐滲碳保溫溫度控制在900～920℃，淬火溫度控制在830～840℃。

圖17 滲碳齒輪晶界裂紋