推土机齿轮常见裂纹分析与预防

2015-04-23冯显磊李炎胡良波王忠王孟谢玲珍

金属加工(热加工) 2015年23期

■ 冯显磊，李炎，胡良波，王忠，王孟，谢玲珍

推土机齿轮裂纹形态各异，既有原材料裂纹、锻造过程中裂纹、热处理过程裂纹，又有齿轮加工过程裂纹、服役过程中失效裂纹。这些裂纹形态各异，宏观上很难区分裂纹的产生根源，对于每一种裂纹的分析必须综合考虑锻造、原材料、热处理工艺、加工工艺及服役条件，并结合金相组织、电镜扫描图像科学分析，才能正确地找出产生某类型裂纹的根源，从而反馈到生产过程并合理地调整工艺、加工过程。

1. 淬火裂纹

该齿轮材质为S48C，采用中频感应集中淬火，淬火后齿轮掉齿。图1金相照片显示，该裂纹两侧无脱碳层，裂纹周围无明显氧化物，裂纹末端呈尖角形；图2金相淬火组织为中碳马氏体，级别2级，呈粗大针状；材料合金计算DI值36～37；晶粒度6级。现场调查，该件生产采用感应加热功率过高、时间过长是导致产生裂纹的直接原因。但是诱发淬火裂纹的要因往往不止一种，从以上检查分析材料合金的DI值达到37，过高DI值也是诱发淬火裂纹的又一要因。

分析建议：

（1）对于每批投入工厂生产的齿圈，在不知材料具体成分的情况下，应用光谱仪检测其化学成分，并进行首件参数试验。

（2）合理配比材料的合金含量，合金DI值应控制在24～36，并根据现场齿轮的模数、齿厚等参数按现场的实际试验情况详细划分区间段，并采用不同的淬火参数，比如对于DI值在高限的可适当降低加热功率、减少加热时间，提高淬火冷却介质浓度等参数。对于DI值在低限的可适当提高加热功率、延长加热时间，降低淬火冷却介质浓度等参数。

（3）坯料的存放不当易混料，对齿轮材料管理，应严格做到材料浇注、锻造、正火、调质、感应淬火等每道工序都应有相应的检测报告，并有材料标识卡管理。锻造后应严格做到无带状组织、魏氏组织及严重的偏析组织；锻造比≥6；正火后，要保证正火充分，奥氏体晶粒度≥5级。

2. 锻造折叠

锻造折叠是齿轮锻造过程中的一大危害质量问题，如不能及时发现，正确地分析产生根源，将给企业带来重大的经济损失。

图1 裂纹尾端（100×）

图2 淬火部组织（500×）

就我厂发现的齿轮锻造折叠问题主要集中在齿轮的轮辐折叠、齿顶折叠、齿根折叠等。如图3所示，该齿轮经车间调质粗滚齿后，在齿面发现裂纹，剖检后用金相显微镜观察裂纹的形态及走向，如图4所示。裂纹的周边具有明显的氧化脱碳现象，裂纹末端呈树杈形（见图4b），放大裂纹的末端呈圆角形，可判定该齿轮在锻造过程形成的锻造折叠。

锻造折叠的形成有各种原因，一种是由于相邻金属充填速度不均形成折叠空腔，高温下在空腔的边沿发生氧化脱碳；另一种是由于毛坯表面不清洁，存在毛刺、氧化皮等污物，锻造时就易包裹在钢件中，形成折叠。还有一种常见形式，即在设计锻造毛坯料时形状不均，过大或过小，在锻造过程中极易形成折叠。

分析建议：

（1）锻造前要将毛坯表面清理干净，去除毛刺、污物，可抛丸处理。

（2）要合理设计锻造毛坯的尺寸。

（3）严格控制现场操作流程，加强锻造后的超声波无损检测，避免宏观观察不到裂纹的质量问题件流入下道工序，造成不必要的损失。

3. 过热引起淬火裂纹

该齿轮淬火后沿齿顶产生横裂纹（见图5a），剖检裂纹观察裂纹形态圆钝，裂纹两侧晶粒粗大，图5b显示晶粒较为粗大，且裂纹中填充氧化物夹杂。主要原因是始锻温度接近熔点，炉气中氧化性气氛进入晶界，造成氧化，晶粒粗大，在后续淬火过程中材料的淬透性也越高，淬火应力越大，加上氧化物夹杂，故产生了淬火裂纹。

分析建议：在锻造过程中应严格控制始锻温度与终锻温度。

4. 齿轮服役过程中失效裂纹

该齿轮为某机型推土机在恶劣工况下，服役2500h后发生失效断齿，断齿宏观断口如图6所示，从宏观断口看具有明显的疲劳源、疲劳区及瞬断区，为典型的疲劳断裂。图7扫面电镜具有明显的河流花样、舌状花样，判定该齿轮断裂为脆性断裂。从宏观断口看，齿轮的齿面具有明显的点蚀，且集中于疲劳源区，齿轮在啮合服役时裂纹亚稳扩展过程中断面处不断摩擦挤压，显示光亮平滑。疲劳区是判断齿轮疲劳断裂的重要特征，从该齿轮断口看，断口比较光滑且分布有贝纹线，主要是由于齿轮啮合服役时，偶然过载引起载荷变动，使裂纹前沿线留下的弧状台阶痕迹。从瞬断区看，瞬断区较大，说明材料的韧性较差，脆性大。

图3

图4 裂纹（100×）

图5

图6 齿轮断口宏观照片

从图8来看，齿轮在断裂前齿面发生了明显的点蚀，在齿轮啮合过程中，由于接触面最大综合切应力反复作用，在齿轮的接触面若材料的抗剪屈服强度较低，则将在该处产生塑性变形。推土机在作业过程中，尤其是在矿山、沼泽等环境中，齿轮啮合时受到较大的冲击，由于损伤逐步积累，直到齿轮表面最大综合切应力超过材料的抗剪强度时（该齿轮材料的抗剪强度在450MPa），在齿轮啮合的表面形成裂纹，裂纹的主受力侧与齿面形成＜45°的倾斜角，如图9所示。随着液压油的压入，在齿轮再次啮合时，液压油被密封在裂纹内，并形成高压，迫使裂纹延伸扩展，裂纹扩展到一定长度后，裂纹的尖端受到啮合齿轮的重复摩擦、冲击造成裂纹尖端应力集中，就会产生二次裂纹，二次裂纹方向与原裂纹方向垂直，最终造成裂纹尖端脱落，形成点蚀坑，如图10所示。

图11为断齿齿块局部放大图，可看出齿轮的倒角不规则，并存在毛刺，齿面的加工精度不高，也易造成麻点剥落。图12为剖检断齿后淬硬层分布，从图上可以看出齿轮的齿部已完全淬透，且淬火后回火温度较低（160℃），造成齿部脆性较大，冲击性能较差。

综上所述，造成推土机终传动齿轮断齿的主要原因有：

（1）推土机服役工况恶劣，操作者使用该设备移动超负荷物体时，反复撞击，造成推土机终传动齿轮受到超过材料本身抗剪强度的切应力，长期累积会在某一瞬间造成齿轮断齿失效。

（2）装配时，两啮合齿轮装配不良，造成在啮合过程中齿轮偏载，长期使用过程中局部受力不均而失效。

图7 断口形貌

图8 齿轮断口侧面照片

图9 齿部主受力侧齿面裂纹状况（100×）

图10 断齿部形成的麻点剥落状况（100×）

图11 断齿齿块倒角

（3）齿轮表面加工精度不高，降低了接触疲劳寿命。

（4）淬火过程中，齿部淬透，而齿部心部没有良好的综合力学性能，增加了脆性，而回火又不够充分，造成齿部冲击性能较差。

（5）齿部麻点是裂纹的起源点，接触应力大、摩擦力较大或表面质量较差（烧伤、淬火不足、夹杂物）时，尤其是经过中频感应淬火后的齿轮，因淬火冷却介质搅拌时产生泡沫附着于淬火工件表面，淬火时易产生软点（淬火部表面硬度低点），都易产生麻点。

5. 渗碳齿轮磨削裂纹

该裂纹齿轮为某机型推土机一级渗碳齿轮轴，材质如附表所示。其生产流程为：锻造→车加工→粗、精滚齿→渗碳→高温回火→精加工→淬火→低温回火→磨齿加工→成品，裂纹产生在最后一步磨齿加工工序。

从宏观照片图13看出，齿表一侧有一条长约50mm的裂纹。通过图14取样看出裂纹为距表面2mm；在硬化层与基体交界处垂直于表面有一条10～15mm的裂纹。从微观照片图15看出裂纹处表面有一条白亮带（0.10～0.15mm），通过显微硬度测量，白亮带硬度为618HV0.3，白亮带以里硬度为396HV0.3。从硬度看：表面白亮带表面为磨削过程的二次淬火组织，裂纹再次产生，并且产生裂纹一侧均有白亮带出现，金相组织判断分析该齿轮轴渗碳层的残留奥氏体量达到5级（JB/T 5944—1991），判定此裂纹为磨削淬火裂纹。