Ⅱ级齿轮轴裂纹分析及控制

南京高精齿轮集团有限公司 （江苏 210012） 钮堂松

公司在为某钢厂板材轧机配套生产减速机过程中，一件直径1050mm、齿宽500mm左右、模数为24的Ⅱ级齿轮轴（见图1），经过渗碳淬火后，在磨齿的过程中产生大量的裂纹。为找出裂纹产生原因，本文从热处理工艺、磨齿工艺、组织形态等方面进行了分析。

图1 Ⅱ级齿轮轴形状

1.试验分析

Ⅱ级齿轮轴技术要求：材料为17Cr2Ni2Mo钢，渗碳淬火、回火后有效硬化层深3.7～4.2mm（550HV），齿面硬度57～61HRC，心部硬度33～42HRC。

Ⅱ级齿轮轴制造工艺流程：锻件毛坯→正火→粗车→无损检测→滚齿→渗碳→高温回火→去碳层→淬火→低温回火→喷丸→精车→无损检测→磨齿。

渗碳工艺为：在650℃和880℃下各等温2h，然后在930℃渗碳（采用循环渗碳工艺），渗碳后炉冷至860℃保温2h，出炉坑冷至零件表面温度在400℃以上，再进炉高温回火10h。

淬火、回火工艺为：650℃等温2h，再加热至810℃保温6h油冷，200℃低温回火24h。

2.宏观分析

裂纹的宏观形态分布如图2、图3所示，可以看出裂纹具有以下特点：

图2 裂纹的宏观形态

图3 有裂纹齿面的另一面

（1）裂纹仅处于磨削后的一侧齿面，且集中处于齿面根部磨削量较多的部位，另一侧磨量少的部位和其他部位均未发现裂纹。

（2）裂纹都集中在齿面的同一方向，而另一方向表面没有裂纹，形态呈弯曲状和少许网络状。

一般情况下，磨削裂纹只存在磨齿加工的齿面上，有时呈平行条状，有时呈弯曲网络状，其方向一般垂直于磨削方向，其宏观形态大致相同。

3.烧伤检查及材质分析

将齿面清洗干净后进行酸蚀烧伤检查，结果如图4所示，裂纹处的齿面有比较严重的淬火烧伤，而无裂纹的齿面均无淬火烧伤特征，在靠近齿根处只有轻微的回火烧伤。

图4 不同部位的烧伤情况

齿轮轴材质成分见表1。试验结果表明齿轮轴的各种化学成分均符合JB/T6395—1992标准。

表1 材质17Cr2Ni2Mo化学成分（质量分数） （%）

4.齿轮轴热处理质量检测

（1）齿面硬度检测 Ⅱ级齿轮轴裂纹处渗碳层表面硬度50.5～52.0HRC，不符合技术要求；另一侧无裂纹齿面硬度57.5～58.5HRC，有效硬化层深3.9mm，符合技术要求。

（2）裂纹处渗碳层表面硬度梯度 如表2所示，裂纹处硬化层深约3.20mm，不符合要求。

表2 裂纹处渗碳层表面硬度梯度

（3）金相组织检查 非金属夹杂物按GB/T10561—1989评定，非金属夹杂物为1级。在带有裂纹的齿上取样，无烧伤的一侧表层渗碳层组织为回火马氏体、少量残留奥氏体和碳化物，碳化物呈断续的网络趋向分布（见图5），按JB/T6141.3—1992评定，马氏体2级、碳化物2～3级、残留奥氏体1级，均符合要求。中心组织为粒状贝氏体和少量低碳马氏体（见图6）。

图5 齿面无烧伤处渗碳组织 400×

图6 中心组织 500×

在另一侧有裂纹和烧伤处的齿面打磨抛光浸蚀后观察，淬火烧伤组织为淬火马氏体，回火烧伤组织为托氏体和索氏体。裂纹贯穿于淬火和回火烧伤区（见图7），经放大后其淬火和回火烧伤的过渡区组织如图8所示。

5.断口裂纹微观形态检查

在淬火烧伤处切取试样，浸蚀抛光后检查，表层有0.07～0.08mm淬火烧伤层，下面0.8mm处为回火烧伤层。裂纹由表面淬火烧伤层开始向中心扩展，贯穿于回火烧伤层后呈“人”字形，深度为1.0～1.3mm，平行于表面沿晶扩展（见图9）。

图7 齿表面烧伤区组织和裂纹形态 100×

图8 淬火烧伤和回火烧伤的过渡区的组织形态 500×

图9 表层白色为淬火烧伤区，黑色为回火烧伤区 50×

裂纹起始部位和裂纹尾部如图10、图11所示，裂纹起源于表层淬火马氏体区，穿过回火烧伤区，尾部处于渗碳、淬回火后的马氏体区。

图10 裂纹起始部位形态 400×

图11 裂纹尾部形态 400×

6.试验结果分析

通过以上分析，可以看出Ⅱ级齿轮轴化学成分和金相组织合格，没有发现其他冶金缺陷，无裂纹齿面的表面硬度和硬化层深度合格，而裂纹处表面硬度和有效硬化层深度不符合技术要求，说明由于裂纹处变形较大，造成磨量增加而使得表面硬度下降和有效硬化层深度减少。

齿两面的齿根部位磨削量明显不同，磨量较多的一侧出现裂纹，而磨量少的另一侧无裂纹。裂纹出现在较严重的淬火烧伤部位，说明磨削量较大的一侧，由于砂轮与齿面剧烈摩擦，产生很高的温度，随后被切削液迅速冷却，使得齿面局部淬火，产生很大的热应力和组织应力，引起塑性变形。同时砂轮在剧烈摩擦时会产生强大的拉应力，当这些应力的合力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂纹。从断口微观形态可以看出，裂纹处的齿面确实存在磨削烧伤现象，这与金相组织和硬度检测结果完全一致，微观检查结果断口沿晶断裂也与磨削裂纹以沿晶断裂为主相吻合，以上综合分析，说明裂纹的产生与磨削有关。

7.磨削裂纹的预防措施

要减少磨削裂纹的发生，一方面要保证齿轮轴热处理的内在质量，另一方面要选择适当的磨削工艺。当然其他方面因素也不容忽视，如材料的冶金质量、齿轮轴的磨齿条件和环境等。

（1）热处理质量控制。一方面要保证金相组织，如碳化物控制在1～3级，保证获得弥散分布细颗粒状碳化物；马氏体和残留奥氏体为1～4级，获得细针隐晶马氏体，避免产生粗大针状马氏体，同时要控制残留奥氏体数量，防止齿轮轴在磨齿时产生组织转变，产生较大的组织应力。另一方面，通过优化热处理工艺，提高各方面均匀性，减少热处理变形，从而减少磨量。此外，低温回火温度要适当，保温时间要充足，改一次回火为二次回火；淬火后，齿面喷丸强化，减少氧化脱碳，以获得良好的表面强度和应力分布，从而提高热处理质量。

（2）磨削工艺控制 磨齿时产生的磨削热，使齿面磨削区域局部产生很大的热应力和组织应力。为了减少磨削热，减小切削力，尽量消除磨齿工序前后的冷热温差，重点考虑选择中软硬度的砂轮；改进磨削工艺、减小切削量，改善冷却条件，防止磨削温度升高。同时，校好磨齿基准，减少齿面两侧磨量不均，控制磨齿质量。