郭亞森　史向陽(yáng)　趙學(xué)謙　宋亞虎　孫勝偉　王　博　胡寒婷

(中信重工機(jī)械股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，河南471000)

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礦用磨機(jī)鑄鋼齒圈磁痕顯示缺陷分析及對(duì)策

郭亞森史向陽(yáng)趙學(xué)謙宋亞虎孫勝偉王博胡寒婷

(中信重工機(jī)械股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，河南471000)

摘要：對(duì)國(guó)外礦用磨機(jī)鑄鋼齒圈齒面進(jìn)行磁粉檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)該磨機(jī)齒圈的很多齒面存在磁痕顯示缺陷。挑選典型的缺陷位置，采用打磨處理、本體低倍組織分析、貼膜復(fù)型金相分析、硬度檢測(cè)等一系列試驗(yàn)手段，判定了缺陷性質(zhì)為鑄態(tài)偏析和疏松。結(jié)合大型鑄件凝固原理以及在齒圈生產(chǎn)加工中所發(fā)現(xiàn)的實(shí)際案例，初步分析了缺陷的形成原因，并提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：礦用磨機(jī)；齒圈；磁粉檢測(cè)；磁痕顯示；缺陷

隨著礦山機(jī)械國(guó)際市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)械設(shè)備的精度要求越來越高，尤其是對(duì)礦用磨機(jī)的核心關(guān)鍵部件——大齒圈的精度要求更是顯著提高。為學(xué)習(xí)國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，某公司開展了針對(duì)國(guó)外公司Q10大齒圈產(chǎn)品的一系列檢測(cè)分析試驗(yàn)。

在對(duì)國(guó)外某公司生產(chǎn)的礦用磨機(jī)鑄鋼齒圈(?6.9 m×0.6 m)進(jìn)行分析試驗(yàn)的過程中，對(duì)其齒面進(jìn)行磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)很多齒面存在磁痕顯示現(xiàn)象，最長(zhǎng)者達(dá)20 mm，大部分磁痕顯示的長(zhǎng)度在5 mm～8 mm之間，約占總數(shù)的80%以上。齒圈右側(cè)齒面的磁痕顯示數(shù)量遠(yuǎn)高于左側(cè)齒面，為左側(cè)齒面數(shù)量的2倍多。磁痕顯示典型形貌見圖1和圖2。

挑選有代表性的缺陷位置，分別進(jìn)行油石打磨、現(xiàn)場(chǎng)金相、貼膜復(fù)型金相、硬度檢測(cè)等試驗(yàn)，以分析缺陷性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，并為國(guó)內(nèi)高精度大齒圈生產(chǎn)確定最佳生產(chǎn)工藝、避免出現(xiàn)類似問題提供依據(jù)。

圖1　大齒圈齒面上的磁痕顯示

圖2　大齒圈齒面上的熒光磁痕顯示

1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

1.1缺陷深度分析

為判定缺陷是否為加工刀痕等淺表層缺陷，特使用油石對(duì)圖1中磁痕顯示位置進(jìn)行打磨，磁痕顯示原始長(zhǎng)度為22 mm，打磨深度0.02 mm。打磨后原磁痕顯示位置經(jīng)再次磁粉檢測(cè)后磁痕顯示依然可見，且尺寸和形態(tài)均未見明顯變化，并不能被清除掉或顯著減小，缺陷形貌見圖3?？梢娫摯藕埏@示是有一定深度的缺陷，不能通過輕微打磨消除掉。

1.2本體金相試驗(yàn)

在大齒圈齒面上任選一處典型的磁痕顯示進(jìn)行本體金相試驗(yàn)。該齒經(jīng)打磨拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后的圖片分別見圖4和圖5所示。圖6為圖5中缺陷位置局部放大圖片。

可以看出，大齒圈磁痕顯示位置經(jīng)低倍酸洗后，顯示出清晰的條帶狀鑄態(tài)偏析形貌，并伴有針孔疏松。磁粉檢測(cè)顯示的缺陷位于偏析帶內(nèi)疏松最嚴(yán)重的位置。

圖3　打磨后缺陷形貌

圖4　缺陷位置拋光后形貌

圖5　缺陷位置腐蝕后形貌

圖6　圖5中缺陷位置放大形貌

1.3硬度檢測(cè)

使用便攜式里氏硬度計(jì)，分別在磁痕顯示缺陷位置、偏析位置和正?；w上測(cè)試材料的硬度，結(jié)果見表 1。

表1　HLD硬度測(cè)試結(jié)果

由表1可見，缺陷所在偏析位置的硬度比正常區(qū)略高一點(diǎn)。但是，在鑄造疏松比較嚴(yán)重的區(qū)域，空隙的存在對(duì)測(cè)試結(jié)果造成了影響，使得其硬度值低于正常區(qū)域。

1.4實(shí)際生產(chǎn)過程中齒圈機(jī)加工痕跡分析

近年來對(duì)某公司大齒圈生產(chǎn)過程的關(guān)注，曾多次發(fā)現(xiàn)有些大齒圈的部分齒面上殘留的刀痕呈現(xiàn)出明顯的鑄造枝晶形態(tài)，見圖7、圖8。這說明刀痕與基體的硬度有關(guān)，當(dāng)?shù)毒呓?jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用后刀刃變鈍，對(duì)齒面的切削能力下降，從而在齒面硬度偏高的地方產(chǎn)生擦傷。而對(duì)于鑄鋼件大齒圈，其齒面上必然存在大量鑄態(tài)枝晶偏析，這就使得枝晶偏析位置與基體位置在熱處理后的硬度出現(xiàn)一定的差異，因而導(dǎo)致不夠鋒利的刀具在切削過有枝晶偏析的位置時(shí)，出現(xiàn)圖8中所示的刀痕擦傷。

圖7　齒面上的刀痕

圖8　刀痕呈枝晶形態(tài)

圖9　齒端面的燒傷痕跡

圖10　齒端面燒傷的放大形貌

圖11　齒面金相覆膜上缺陷的痕跡

在有些大齒圈的半精加工過程中，曾發(fā)現(xiàn)齒端面邊緣呈現(xiàn)出藍(lán)黑色的燒傷痕跡，見圖9、圖10，疑為滾齒加工過程中所產(chǎn)生的熱量使齒面燒傷。

2貼膜復(fù)型金相分析

在圖2所示磁痕顯示位置做金相覆膜，圖11為該位置的拋光狀態(tài)貼膜復(fù)型的圖片。

使用ZEISS Axiovert 200MAT金相顯微鏡對(duì)磁痕顯示位置原始狀態(tài)、拋光狀態(tài)和腐蝕狀態(tài)的金相覆膜標(biāo)本進(jìn)行分析。圖12、圖13分別為磁痕顯示位置不同狀態(tài)下覆膜放大25倍和放大50倍的金相圖片。

觀察這些圖片，可以看到磁痕顯示位置在金相覆膜后復(fù)型形貌，是由半網(wǎng)狀或網(wǎng)狀的空隙連接而成，空隙邊緣非常光滑，顯然為鑄造凝固過程中疏松缺陷的自由表面。其100倍放大形貌見圖14。缺陷附近組織為回火索氏體。正常位置基體組織為回火索氏體+少量自由鐵素體，見圖15。

(a)原始狀態(tài)(b)拋光狀態(tài)(c)腐蝕后

圖12　齒面磁痕顯示位置不同狀態(tài)覆膜金相(25×)

圖13齒面磁痕顯示位置不同狀態(tài)覆膜金相(50×)

Figure 13The metallographic structure of magnetic particle indications on

the tooth surface with different states of replication films (50×)

圖14　缺陷位置組織(100×)

圖15　正?；w組織(200×)

3分析與討論

大型鑄件由于凝固過程緩慢，先凝固區(qū)域形成粗大枝晶，不同枝晶交匯的位置為最后凝固的區(qū)域，該區(qū)域因前期生成枝晶的阻擋，致使與外界補(bǔ)縮通道變得狹窄，不利于鋼液流動(dòng)而補(bǔ)縮不良，同時(shí)該區(qū)域因集中了(從先凝固鋼液中析出的)大量氣體和雜質(zhì)元素等，再加上液體的凝固收縮作用，從而形成不同枝晶之間的疏松缺陷。

此外，大型鑄件由于選分結(jié)晶的作用，溶質(zhì)元素隨著冷卻過程凝固的不斷進(jìn)行，致使最終凝固區(qū)域合金元素含量明顯高于正常部位，最終以糊狀凝固方式凝固下來，從而形成枝晶之間與疏松相伴而生的宏觀偏析條帶。大齒圈上的磁痕顯示缺陷就位于這種偏析條帶上，而偏析條帶兩側(cè)的枝晶生長(zhǎng)方向明顯不同，這一現(xiàn)象充分表明了偏析條帶位于不同枝晶即將交匯聯(lián)接、鑄件冷卻過程中最晚凝固的區(qū)域。而由于成分的差異，偏析條帶的淬透性也要高于正常部位，從而在調(diào)質(zhì)熱處理的淬火冷卻過程中發(fā)生全馬氏體相變，并在經(jīng)過高溫回火以后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織。正常部位因淬透性稍低而產(chǎn)生少量先共析鐵素體。

偏析條帶會(huì)導(dǎo)致齒面不同區(qū)域在最終調(diào)質(zhì)熱處理以后得到不同組織而呈現(xiàn)出不同的硬度，這種硬度差異將影響到后續(xù)的機(jī)加過程。齒面存在有明顯的宏觀偏析條帶或硬度不均勻等情況。對(duì)于偏析較嚴(yán)重位置，其硬度較高，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)更高。而偏高的合金元素含量，甚至?xí)沟闷鑫恢迷谇邢鳠岬淖饔孟庐a(chǎn)生淬火硬化現(xiàn)象，這就會(huì)顯著增加偏析位置的組織應(yīng)力。同時(shí)，齒面在急速升溫降溫過程中，發(fā)生明顯的熱脹冷縮，又產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。這些應(yīng)力組合在一起沿齒面上的疏松缺陷釋放，在不鋒利刀具的拖拽作用下，就會(huì)將原本尺寸上并未超標(biāo)的疏松缺陷擴(kuò)大化、明顯化、開口化，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測(cè)可發(fā)現(xiàn)的磁痕顯示缺陷。

鑒于鑄件內(nèi)部的疏松和與之相伴而生的偏析條帶在齒圈各位置的分布應(yīng)該是隨機(jī)的、基本均等的，基本不存在天然集中于某一側(cè)齒面的可能性，因此如前所述在右側(cè)齒面出現(xiàn)缺陷較多的現(xiàn)象，還有著其他方面的原因。

大型礦用磨機(jī)用大齒圈在服役使用過程中，主要受到循環(huán)交變載荷作用，而且所受載荷較大，工作環(huán)境惡劣。因此為降低輪齒所受彎曲應(yīng)力的作用，通常都采用有一定螺旋角的圓柱齒輪，增加同時(shí)進(jìn)入嚙合的輪齒個(gè)數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外大型低速重載螺旋圓柱大齒圈通常采用滾齒機(jī)加工輪齒，在加工過程中，輪齒迎接滾齒刀進(jìn)刀方向的齒面將受到較大的切削力作用，而位于滾刀另一側(cè)的齒面受到的切削力則要小得多。因此，如果齒面存在有明顯的組織偏析或硬度不均勻等情況，同時(shí)機(jī)械加工刀具因使用時(shí)間過長(zhǎng)或者冷卻不足，發(fā)生刀具溫度過高而使紅硬性降低、刀刃變鈍的時(shí)候，就會(huì)降低刀具的切削作用，增加刀具對(duì)偏析區(qū)域的撕裂力。

另外，由于大齒圈滾齒加工采用粉末冶金刀具，不加冷卻液加工，因此切削過程中所產(chǎn)生的高溫不能被及時(shí)帶走，從而導(dǎo)致齒面溫度升高。

4改進(jìn)措施

由于缺陷根源上來自于補(bǔ)縮不良導(dǎo)致的疏松，而導(dǎo)致疏松的原因主要是鋼液中的氣體含量高，或者凝固、補(bǔ)縮效果不好等。因此提出如下改進(jìn)措施：

(1)充分降低鋼液中殘存氣體含量，進(jìn)而降低疏松發(fā)生概率；

(2)采取更加完善的鑄造工藝手段，加強(qiáng)齒圈徑向上的順序凝固效果；

(3)加速鋼液的凝固速率，以盡量減小鑄件中的枝晶尺寸，同時(shí)降低枝晶偏析程度；

(4)盡量降低材料內(nèi)部元素和組織的不均勻性，減輕微觀偏析；

(5)在保證性能的前提下，適當(dāng)提高回火溫度，降低偏析區(qū)域與非偏析區(qū)域的硬度差；

(6)機(jī)加工過程中及時(shí)更換、打磨刀具，保證刀具的鋒利程度，減輕刀具在切削過程中對(duì)偏析帶的撕裂作用，并保證對(duì)刀具和切削過程的冷卻效果。

5結(jié)論

(1)大齒圈齒面上發(fā)現(xiàn)的磁痕顯示缺陷實(shí)質(zhì)為呈條帶狀的鑄造疏松和偏析，在機(jī)械加工過程中被加工應(yīng)力撕裂而進(jìn)一步放大，最后在磁粉檢測(cè)時(shí)顯現(xiàn)出來。

(2)建議針對(duì)性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化大齒圈冶煉、鑄造和其他工藝過程中的工藝方案，以改善大齒圈輪齒位置的鑄造偏析和疏松情況。

(3)建議改善刀具質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)刀具和切削過程的冷卻，這樣可以提高齒面光潔度，進(jìn)而降低偏析條帶上的顯微疏松被撕裂成超標(biāo)檢測(cè)缺陷的概率。

參考文獻(xiàn)

[1]波特等著. 金屬和合金中的相變.陳冷,余永寧譯.北京:高等教育出版社，2011.

[2]黃志光編著.鑄件內(nèi)在缺陷分析與防止.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]大型鑄鍛件缺陷分析圖譜編委會(huì)編.大型鑄鍛件缺陷分析圖譜.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

編輯杜青泉

Analysis and Measures of Magnetic Particle Test Defect Indication of

Cast Steel Girth Gear Used for Mining Mill

Guo Yasen, Shi Xiangyang, Zhao Xueqian, Song Yahu,

Sun Shengwei, Wang Bo, Hu Hanting

Abstract：By adopting the magnetic particle test for the tooth surface of cast steel girth gear for foreign mining mill and performing the analysis, it found out that many tooth surfaces of this girth gear appeared defect indications. By grinding the defect of the typical position, and adopting a series of testing means, such as the macrostructure analysis, the metallographic analysis with replication film and the hardness test etc., the defect indications have been determined to be the as-cast segregation and the porosity. By combining the solidification principle of heavy castings and the actual case appeared in the production of girth gear, the cause of defects has been analyzed preliminarily. Meanwhile, the targeted improvement measures have been proposed.

Key words：mining mill; girth gear; magnetic particle test; magnetic particle indication; defect

作者簡(jiǎn)介：郭亞森(1987—)，男，工程師。主要從事金屬零部件的金相分析、缺陷分析、廢品分析，以及冶金、建材、礦山機(jī)械等大型構(gòu)件的失效分析。電話：13698890456，E-mail：hnsanmu@163.com

收稿日期：2015—10—14

中圖分類號(hào)：TG245

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B