葛燕飛 李俊杰

精軋機接軸是板帶熱連軋精軋機組的關鍵部件，其中輥端軸套是連接軋輥和接軸的關鍵受力傳動部件[1]，要求輥端軸套與接軸上的外齒軸套嚙合的內齒面及與軋輥配合的扁孔面要有足夠的耐磨性，且要求輥端軸套整體有足夠的強度和韌性。因此，輥端軸套的材質選擇較為講究，為具有優(yōu)良綜合機械性的17Cr2Ni2Mo優(yōu)質滲碳結構鋼。為提高輥端軸套內齒及扁孔的耐磨性和延長使用壽命，其熱處理工藝采用滲碳、表面感應淬火及回火工藝。其加工工藝流程為：鍛造→正火→粗加工→穩(wěn)定化回火→插齒→滲碳→高溫回火→表面淬火→去應力回火→ 精加工→磨齒。

本文所述的輥端軸套在上線使用3個月后，返廠拆解維護，檢測過程中發(fā)現(xiàn)其內齒齒根處有一條縱向裂紋，裂紋長度約為230mm，裂紋沿一側齒根擴展至齒寬中部后，跨越齒頂沿另一側齒面延伸。為查明裂紋原因，對其進行了檢驗和分析。

1.理化檢測

1.1 宏觀分析

輥端軸套裂紋是整體呈縱向分布的。

1.2 化學成分檢測

在開裂紋頂部取樣進行化學成分分析，使用SPECTROMAXx臺式全譜直讀光譜儀器對樣品進行檢測，其檢測結果見表1，可判斷出除Ni元素外其余元素的含量均符合GB/T 17107-1997《鍛件用結構鋼牌號和力學性能》標準對17Cr2Ni2Mo鋼的技術要求，但Ni元素滿足標準中對成品化學成分分析偏差的要求，由此判斷此材料的化學成分符合標準要求。

1.3 硬度檢測

沿齒寬中部將樣品沿橫向鋸切開，經(jīng)磨、拋后使用WILSON VH1150型維氏硬度計對齒的倆個側面進行硬度梯度檢測，檢測結果見表2、表3、圖1。圖紙設計要求齒面硬度58 HRC-62 HRC，齒面有效硬化層深度為2.0mm-2.5mm。依據(jù)GB/T 5617-2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》，可計算出齒面1的有效硬化層深度DS1=1.02mm，齒面2的有效硬化層深度DS2=0mm，由此可見輥端軸套齒部的硬化層深度沒達到設計要求。

1.4 金相檢測

將齒部位用金相試樣切割切取后，在經(jīng)過粗磨、細磨，拋光后使用ZEISS Vert.A1金相顯微鏡對樣品進行金相分析可得，裂紋整體較為剛直，局部曲折，兩側未見非金屬夾雜物等冶金缺陷（見圖4）。使用濃度為4%的硝酸酒精溶液對試樣進行浸蝕后進行觀察，試樣僅有一側齒面及齒底局部存在淬硬組織，淬硬組織為回火馬氏體；另一側齒面未存在淬硬組織，其金相組織為保持馬氏體位向的回火索氏體組織，其齒側與齒底之間的圓弧過渡處均未淬硬，金相組織也是回火索氏體組織。齒心部金相組織為鐵素體+貝氏體+珠光體。

圖1 硬度梯度曲線

表1 化學成分檢測結果(質量分數(shù)) %

表2 齒輪表面硬度梯度檢測結果-1

表3 齒輪表面硬度梯度檢測結果-2

表4 力學性能試驗結果

1.5 力學性能檢測

在未裂齒部沿軸套縱向取樣，去除表面滲碳層后加工成拉伸及沖擊試驗進行檢測，試驗結果見表4?？梢娸伓溯S套的抗拉強度、屈服強度均低于圖紙設計要求，沖擊功遠大于圖紙設計要求。

2.綜合分析

17Cr2Ni2Mo是一種含合金元素較高的滲碳鋼，由于含有較多的Cr、Ni、Mo等合金元素，能獲得穩(wěn)定性比Fe3C高的合金滲碳體(Fe，M)3C，可以抑制過冷奧氏體向珠光體轉變，因而具有良好的淬透性。齒輪的工作條件相對較為復雜，為了滿足要求，齒輪用鋼不但應有高的耐磨性、接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度，而且還應有較高的塑形和韌性。為此可以采用滲碳后淬火加低溫回火工藝進行處理，滲層組織為馬氏體及碳化物，它具有較高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強度；心部組織為低碳化馬氏體及部分鐵素體，它具有很高的強度、塑形和韌性。此外，由于滲層和心部C含量不同，將會在表層形成壓應力，將顯著提高材料的彎曲疲勞強度[2-3]。

此輥端軸套滲碳后采用的是感應淬火工藝，利用的是電磁感應原理在工件表面形成密度很高的感應電流，并使之迅速加熱至奧氏體狀態(tài)，隨后快速冷卻獲得馬氏體的方法。

由上述試驗理化檢測結果可知：輥端軸套的化學成分滿足GB/T 17107-1999對17Cr2Ni2Mo牌號的技術要求；其機械性能中的強度指標均不滿足圖紙設計要求，其原因是軸套的預處理工藝為正火+回火，預處理后基體硬度過低；軸套齒部的齒面硬化層深度也未達到設計要求，齒面淬硬側的金相組織為馬氏體，按JB/T 9204-2008評定其級別為5級，組織細膩，齒面未淬硬側及齒根圓弧過渡處的金相組織為索氏體，其原因是感應淬火工藝不合理，造成硬化層不均勻且較淺；輥端軸套基體金相組織為鐵素體+貝氏體及少量的珠光體，基體金相也不符合正火+回火后金相組織狀態(tài)，其原因是感應淬火參數(shù)設計不合理，造成心部組織受熱發(fā)生轉變。

3.結論及建議

通過上述檢測結果分析得出：該輥端軸套齒部開裂是由于齒部有效硬化層深度不合格，特別是在嚙合一側，齒面未存在有效硬化層，在內外齒嚙合傳動過程中，在齒部最為薄弱的齒根處產生磨損[4-5]，形成微裂紋，由于基體強度較低，在持續(xù)傳動過程中，微裂紋擴展開來形成了宏觀裂紋。

通過上述檢測結果及分析，建議：1) 更改輥端軸套的預處理工藝，采用調質工藝代替正火+回火工藝，可以使基體的性能得到提升，滿足圖紙設計要求；2) 調整表面感應淬火參數(shù)，合理設計感應器，使其滿足齒面有效硬化層深度要求；3) 加強質量監(jiān)測，在表面淬火回火后通過硬度檢測手段，及時發(fā)現(xiàn)問題，杜絕不合格品流入下一工序。