太陽(yáng)輪滲碳淬火裂紋產(chǎn)生的原因分析

張 磊, 米 佩, 馬春亮, 孫永鵬

(寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司, 寧夏 石嘴山 753001)

18CrNiMo7-6鋼作為生產(chǎn)齒輪材料的低碳高合金滲碳鋼,具有高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性的特點(diǎn),是一種具有優(yōu)良綜合性能的表面硬化鋼[1]。該鋼種生產(chǎn)的齒輪能夠很好地滿足在惡劣環(huán)境下的工作要求,目前在大功率礦用重載減速器齒輪上有普遍的應(yīng)用,已逐漸代替了過(guò)去機(jī)械設(shè)備中常使用的20CrMnTi和20CrNi2MoA齒輪鋼[2-3]。太陽(yáng)輪是礦用行星減速器的關(guān)鍵零部件,在使用過(guò)程中一個(gè)太陽(yáng)輪與3個(gè)行星輪通過(guò)嚙合帶動(dòng)行星輪及內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),所以要求太陽(yáng)輪表面具有較高的耐磨性及抗表面接觸疲勞和抗彎曲疲勞等綜合性能。為滿足太陽(yáng)輪的使用性能,在材料上選擇18CrNiMo7-6鋼,一般采用的熱處理方法為齒面滲碳處理,硬度要求58～62 HRC,且在保證顯微組織合格的情況下,硬度越高越好[4],有效硬化層深要求為2.2～2.8 mm,心部硬度為35～42 HRC。制造的工藝流程為鍛造→正火→粗車→探傷→加工→滾齒→滲碳淬火→拋丸→磨齒。

1 裂紋情況

太陽(yáng)輪如圖1所示,左端齒部模數(shù)Mn=12 mm,右端齒部模數(shù)Mn=6 mm,滲碳時(shí)1爐裝6件,滲碳噴丸處理后,對(duì)齒部進(jìn)行裂紋檢查,6件右端齒部全部發(fā)現(xiàn)裂紋,從表面觀察裂紋較小,且非常有規(guī)律的繞軸一圈。為分析裂紋產(chǎn)生原因,對(duì)太陽(yáng)輪采用線切割方式取樣,取樣部位如圖1(a)所示,試樣厚10 mm,對(duì)薄片試樣磨平處理,在磨齒過(guò)程中,其中1個(gè)齒在裂紋處掉落,按照GB/T 226—1991《鋼的低倍組織及缺陷侵蝕檢查方法》對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕,如圖1(b)所示。圖1(c)為裂紋局部放大,可以看出有明顯的、肉眼可見(jiàn)的裂紋,其中裂紋主要集中在齒部位,有的裂紋貫穿齒部、有的未貫穿齒部,在放大鏡下觀察,軸心部也存在肉眼可見(jiàn)的細(xì)小裂紋,如圖2所示。

圖2 心部裂紋宏觀形貌(a)、微觀形貌(b)及晶粒形貌(c)Fig.2 Macromorphology(a), micromorphology(b) of core cracks and grain morphology(c)

2 開(kāi)裂原因分析

工件淬火開(kāi)裂的本質(zhì)是奧氏體晶粒向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí),以?shī)W氏體晶粒為體積膨脹單元,產(chǎn)生不均勻應(yīng)力和應(yīng)變,在晶界和晶內(nèi)均產(chǎn)生不均勻的顯微局部應(yīng)力,削弱了晶界和晶內(nèi)個(gè)別微區(qū)的結(jié)合,當(dāng)局部微應(yīng)力大于晶界的結(jié)合力時(shí)將導(dǎo)致顯微破裂[5]。鋼件淬火裂紋產(chǎn)生的原因有很多,包括鋼的化學(xué)成分、原材料缺陷、工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、熱處理加熱和冷卻等因素[6]。本文從化學(xué)成分、淬火裂紋宏觀形貌、微觀組織、熱處理工藝等方面分析太陽(yáng)輪開(kāi)裂的原因。

2.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

對(duì)太陽(yáng)輪材料進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1,各項(xiàng)化學(xué)成分指標(biāo)均符合EN 10084—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 18CrNiMo7-6鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.2 晶粒尺寸檢測(cè)

對(duì)心部裂紋在高倍下進(jìn)行觀察,裂紋如圖2(b)所示,為典型的沿晶裂紋[7]。對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行檢測(cè),如圖2(c)所示,晶粒組織粗化,尺寸約100 μm。晶粒大小對(duì)金屬材料的力學(xué)性能有很大的影響[8]。在常溫時(shí),晶粒越細(xì)小,金屬的強(qiáng)度和硬度越高,而且塑性和韌性也越好。本質(zhì)細(xì)晶粒齒輪組織與粗晶粒組織的齒輪相比,其疲勞強(qiáng)度至少高20%。晶粒尺寸從100 μm減小至4 μm時(shí),彎曲疲勞強(qiáng)度增加2倍。當(dāng)晶粒粗大時(shí),在滲碳淬火和后續(xù)磨削的過(guò)程中,更容易開(kāi)裂或形成微裂紋[9]。造成晶粒組織粗化的原因可能是鍛造加熱溫度過(guò)高,保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[10],或熱處理時(shí)奧氏體化溫度高,保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成奧氏體晶粒粗化,具體原因,還需結(jié)合后續(xù)熱處理過(guò)程進(jìn)行分析。

2.3 滲碳組織檢測(cè)

在圖1(b)試樣上截取一個(gè)齒進(jìn)行顯微組織及滲層深度檢測(cè),截取試樣如圖3(a)所示,按照J(rèn)B/T 6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》對(duì)滲碳部位進(jìn)行金相檢驗(yàn),滲層顯微組織見(jiàn)圖3(b),圖3(c)為心部組織。檢測(cè)結(jié)果為馬氏體及殘留奧氏體4級(jí),碳化物2級(jí),心部鐵素體4級(jí),可見(jiàn)滲碳層組織符合技術(shù)要求,滲碳淬火工藝也符合相關(guān)技術(shù)要求,不會(huì)造成脆性斷裂。

圖3 齒部宏觀(a)及微觀形貌(b)和心部組織(c)Fig.3 Macro(a) and micro(b) morphologies of the tooth and core structure(c)

2.4 硬度及滲層深度檢測(cè)

分別在圖3(a)試樣裂紋邊緣、邊部及心部進(jìn)行硬度檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2,按照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》,將維氏硬度換算成洛氏硬度,從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,裂紋邊緣硬度與裂紋基體的硬度相差較大,說(shuō)明裂紋邊緣存在軟點(diǎn),對(duì)滲層部位按照J(rèn)B/T 6141.2—1992《重載齒輪滲碳質(zhì)量檢驗(yàn)》方法,檢測(cè)滲碳層深度,檢測(cè)結(jié)果滲層深度為2.5 mm,符合滲碳技術(shù)要求。

表2 試樣不同部位的硬度測(cè)試結(jié)果

2.5 工藝過(guò)程分析

此批開(kāi)裂太陽(yáng)輪熱處理工藝為,正火工藝:920 ℃等溫4.5 h,出爐空冷;回火工藝:650 ℃等溫4.5 h,出爐空冷;滲碳工藝:930 ℃滲碳處理,滲碳后降溫至840 ℃均溫1 h進(jìn)行淬火處理,淬火后采用180 ℃回火6 h,共回火2次。對(duì)熱處理過(guò)程參數(shù)進(jìn)行查看,未出現(xiàn)工藝參數(shù)不符合技術(shù)文件的情況,且采用此種工藝已正常生產(chǎn)5年,未出現(xiàn)開(kāi)裂情況。

太陽(yáng)輪材料是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼,采用正常正火和滲碳處理后不會(huì)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大而造成的開(kāi)裂問(wèn)題。結(jié)合裂紋低倍形態(tài)、原材料成分、高倍下顯微組織及晶粒尺寸等進(jìn)行的綜合分析,認(rèn)為熱處理過(guò)程及工藝參數(shù)不是造成開(kāi)裂的原因,為驗(yàn)證現(xiàn)有工藝的合理性,采用同樣的工藝方法,對(duì)另外兩批次太陽(yáng)輪進(jìn)行滲碳處理,滲碳處理后齒部未出現(xiàn)開(kāi)裂情況。

分析認(rèn)為,本批次6件太陽(yáng)輪均出現(xiàn)齒部裂紋的主要原因是晶粒粗大,晶粒粗大,造成晶界之間的結(jié)合力降低,在熱處理淬火時(shí)發(fā)生開(kāi)裂。而造成晶粒粗大的原因與后期熱處理無(wú)關(guān),主要與前期鍛造加熱溫度或鍛造過(guò)程不當(dāng)有關(guān),為確保產(chǎn)品質(zhì)量,后續(xù)需要對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

3 結(jié)論

1) 本批次太陽(yáng)輪產(chǎn)生的裂紋是典型的沿晶開(kāi)裂淬火裂紋,開(kāi)裂原因與晶粒粗大有關(guān)。

2) 采用現(xiàn)有太陽(yáng)輪熱處理工藝,正常情況下不會(huì)造成晶粒粗大,結(jié)合后期試驗(yàn)情況,分析認(rèn)為造成工件晶粒粗大的原因與前期鍛造加熱溫度或鍛造過(guò)程不當(dāng)有關(guān),為確保產(chǎn)品質(zhì)量,后續(xù)需要對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。