感应淬火齿轮裂纹原因分析与预防

穆玉芹，吕金根，王孟，李中元

山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272000

1 序言

大型齿轮断齿的原因各异，既有原材料裂纹、锻造过程中裂纹、热处理过程裂纹诱导，又有齿轮加工过程裂纹、服役过程中失效裂纹。这些断齿宏观上很难区分裂纹产生的根源。本文对断齿齿轮进行了材料成分、宏观断口、显微金相组织等理化方面的检测，并结合热处理工艺分析了造成齿轮断齿的主要原因，通过改进措施，解决了齿轮断齿问题，以期对后续生产作业发挥指导性作用。

2 齿轮概况

大型传动齿轮材料为45钢，齿顶硬化层深度2.9～7.8mm，齿根硬化层要求≥1.5mm，表面硬度55～60HRC，基体硬度为229～277HBW，齿轮结构如图1所示。

图1 传动齿轮结构示意

该齿轮的主要工艺流程：下料→锻造→正火→粗车→精车→滚齿→感应淬火→回火→抛丸→精滚。感应淬火工序采用450kW超声频电源，功率80～90kW，频率8500～9500Hz，选择集中加热感应器，加热后冷却介质采用水冷却，低温回火4h。

3 断齿齿轮分析

断齿齿轮宏观形貌如图2所示，下面主要从宏观和微观两个方面进行观察分析。

3.1 宏观分析

对齿轮宏观方面进行观察分析，发现该齿轮存在以下问题。

1）该齿轮齿根部倒角不良，未按照要求倒角，并有部分倒角处存在磕碰现象，如图3所示。

图3 齿轮倒角不良

2）从齿轮齿部齿面磨损情况可以看出该齿轮存在偏磨现象，齿轮齿部一端异常磨损，而另一端未出现磨损现象（见图4），由此判断该齿轮可能存在装配或齿轮齿向问题。经检测该齿轮齿形齿向均无问题，说明该齿轮装配存在问题。

图4 齿轮偏载异常磨损

3）对断齿齿轮进行剖切检测，分别在断齿位置和未出现问题区各取一个试样，对试样进行硬度检测。经检测齿轮的硬化层深度过深，齿顶部硬化层深度为17.9～18.2mm，大大超出工艺要求的2.9～7.8mm，整个齿部完全淬透；齿轮齿根部硬化层深度为2.9～3.0mm，满足≥1.5mm的要求，基体硬度为241HBW满足要求，检测位置如图5所示。

图5 硬化层深度检测

3.2 微观分析

宏观检测后，我们对试样进行金相及扫描电镜分析，对试样的非金属夹杂物情况检测结果见表1。各种类型的非金属夹杂物均满足要求。

表1 非金属夹杂物 （级）

通过对齿轮硬化区、过渡区、心部的金相组织进行分析，硬化区组织为回火马氏体，晶粒度为9级；心部组织为回火索氏体+少量铁素体，晶粒度8级，如图6所示。所有金相组织结果均满足要求。

图6 金相组织（400×）

通过对断裂齿部进行金相分析和EVO 18型扫描电镜分析发现，齿断口处的形貌具有准解理断裂的特点，断口具有平坦的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂（见图7～图9），由此判断齿轮断裂类型属于准解理断裂[1]。从图8、图9可以看出：该件断口处属于齿面碾压应力裂纹（剥落）。

图7 裂纹处的金相照片

图8 断齿断口处形貌

图9 齿面碾压应力裂纹形貌

4 预防与措施

1）针对硬化部淬火马氏体回火不良，导致齿面发生碾压应力裂纹，易形成断裂源问题，应该进行充分回火，必要时增加回火时间，以消除不均匀组织。

2）针对硬化层过深（齿部淬透）现象，工件在感应淬火时应该控制加热功率，减少加热时长，同时应该控制工件冷却速度。冷却速度过快，淬火烈度过大，组织转变剧烈，组织应力无法释放，表面压应力转化为拉应力，并在应力达到一定程度后造成表面裂纹。

3）齿轮齿端部在倒角加工时，不仅要严格按照工艺要求进行倒角，应避免倒角过大或者倒角过渡不圆滑，而且要注意倒角处发生磕碰现象，做好齿轮防护等工作。

4）加强装配过程控制，齿轮安装后检测安装基准面的端径跳动，控制在0.1mm以内，保证装配精度，避免偏载问题。

5 结束语

综上所述，造成传动齿轮断齿的原因是由多方面的综合因素引起的，在不断改进优化齿轮感应淬头工艺参数时，重点从加热功率、加热时间、冷却速率，以及回火时间与温度上进行调整、控制工艺，以减少或避免齿轮裂纹现象发生。