通過對某設(shè)備45#鋼齒輪斷裂的深入分析，研究了45#鋼材料的熱處理特性和原工藝存在的問題，對斷裂齒輪進(jìn)行了硬度和顯微組織分析，找到了齒輪斷裂的原因。針對該型齒輪特點(diǎn)，改進(jìn)齒輪加工工藝，增加了齒形粗加工工序，改善了齒輪熱處理性能，較好地解決了齒輪加工出現(xiàn)的問題，保證了產(chǎn)品加工質(zhì)量，為該型齒輪加工提供了參考。
齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)的組成部分，在機(jī)械行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。４５鋼來源廣泛，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，成為加工齒輪的主要原材料之一［１］。某設(shè)備４５鋼齒輪在使用過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，其形態(tài)為沿齒長縱向方向整齒斷裂，斷裂面兩端部分呈金屬光澤，紋路清晰，中間部分已氧化，無金屬光澤，早已出現(xiàn)裂紋。本文以該４５鋼齒輪斷裂為研究對象，從工藝、材料、熱處理等方面分析原因，提出改進(jìn)措施，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
１ 齒輪零件簡介
某設(shè)備４５鋼齒輪結(jié)構(gòu)如圖１所示，其中熱處理要求：調(diào)質(zhì)處理２２０～２５０ ＨＢＷ，齒 面淬火５８～６３ＨＲＣ，其他主要基本參數(shù)見表１。
2 齒輪加工工藝分析
該齒輪的生產(chǎn)流程［２］主要為：毛坯加工（棒料鋸割）、粗加工（粗車外形及內(nèi)孔）、中間熱處理（退火、正火、調(diào)質(zhì)）、精加工（精車外形及內(nèi)孔、割鍵槽）、齒形加工（插齒、滾齒等）、最終熱處理（表面淬火）和表面處理（磷化）等。由于該齒輪要求一定的綜合力學(xué)性能，故采用調(diào)質(zhì)工藝作為中間熱處理，為后續(xù)表面淬火等最終熱處理作組織準(zhǔn)備。最終熱處理采用高頻表面淬火，熱處理后不再進(jìn)行精加工。
由于４５鋼淬透性較差，鑒于該齒輪的尺寸、結(jié)構(gòu)和加工工藝，該齒輪在做調(diào)質(zhì)處理時(shí)，存在調(diào)質(zhì)層深度未能達(dá)到節(jié)圓以下部分的可能性，而齒輪在感應(yīng)加熱淬火時(shí)在齒根部分存在熱影響區(qū)，如該區(qū)域未能產(chǎn)生調(diào)質(zhì)組織，則會(huì)影響該區(qū)域的力學(xué)性能，使該區(qū)域的彎曲疲勞強(qiáng)度降低，存在產(chǎn)生裂紋的隱患。
3 斷裂原因分析
由于４５鋼具有較強(qiáng)的淬火開裂敏感性［３－６］，淬火時(shí)會(huì)引起齒輪應(yīng)力的急劇變化，齒輪淬火經(jīng)過加熱、保溫和冷卻３個(gè)過程，期間會(huì)發(fā)生熱脹冷縮體積變化和金相組織變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。齒輪表面淬火時(shí)，會(huì)受到熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的同時(shí)作用，當(dāng)疊加的應(yīng)力增大至超過齒輪抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋。影響齒輪熱應(yīng)力、組織應(yīng)力的主要因素如下。
１）加熱速度。加熱速度太快，導(dǎo)致受熱不均勻，易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。
２）加熱溫度。４５鋼加熱溫度一般選擇在Ａｃ３以上３０～５０℃，溫度太低，組織轉(zhuǎn)變不徹底，達(dá)不到熱處理要求，太高易造成過熱，使奧氏體組織粗大，降低鋼的極限強(qiáng)度。
對該齒輪進(jìn)行齒面硬度分析，齒根處硬度梯度曲線如圖２所示。
檢測結(jié)果表明，齒輪是由于齒根處強(qiáng)度不夠，裂紋從齒根附近開始產(chǎn)生，然后向齒頂處擴(kuò)展，最后導(dǎo)致整齒斷裂。
再對該齒輪齒面顯微組織進(jìn)行分析，金相組織照片如圖３和圖４所示。
分析可得，齒根處顯微組織為小塊鐵素體＋珠光體，這是４５鋼在正火狀態(tài)下的原始組織，由于４５鋼的淬透性差，并且截面尺寸較大，齒根組織并沒有在調(diào)質(zhì)（淬火＋高溫回火）時(shí)如期轉(zhuǎn)化為回火索氏體為主的顯微組織，后期高頻淬火時(shí)，加熱速度極快，奧氏體化用的時(shí)間短，淬火后遺留鐵素體，導(dǎo)致組織不合格，硬度降低。而在其他部位，奧氏體晶粒迅速長大，淬火后獲得了較細(xì)馬氏體，這種組織使鋼的脆性增大，內(nèi)應(yīng)力較大。其體積膨脹，而齒輪的感應(yīng)淬火熱影響區(qū)在齒根附近，該區(qū)域受到拉應(yīng)力并在齒根部分形成應(yīng)力集中，并且加熱過快、溫度過高、受熱不均勻，存在未溶解鐵素體等因素造成局部區(qū)域的拉應(yīng)力大于材料的局部抗拉強(qiáng)度，最終在該區(qū)域產(chǎn)生裂紋并延伸。另外４５鋼淬火溫度在Ａｃ３（７８０℃）＋（３０～５０ ℃），淬火后硬度能達(dá)到５６～５９ＨＲＣ，偏高的硬度容易引起淬火裂紋，增加了齒輪產(chǎn)生裂紋的隱患。
４ 齒輪加工工藝改進(jìn)
上述分析試驗(yàn)表明，產(chǎn)生裂紋的直接原因就是淬火過程中組織應(yīng)力超過了齒輪局部的材料抗拉強(qiáng)度。解決的方法主要有兩方面：一是降低組織應(yīng)力，二是提高熱影響區(qū)材料抗拉強(qiáng)度，或者兩方面同時(shí)采取措施。
針對該型齒輪采取如下措施：１）齒形粗加工完畢后，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以增強(qiáng)齒根部材料的抗拉強(qiáng)度；２）將表面淬火硬度降低到４５～５５ＨＲＣ，以降低淬火時(shí)的組織應(yīng)力。
改進(jìn)后的工藝流程為：毛坯加工（棒料鋸割）、粗加工（粗車外形及內(nèi)孔）、齒形初加工（留余量粗加工齒）、中間熱處理（退火、正火、調(diào)質(zhì)）、精加工（精車外形及內(nèi)孔、割鍵槽）、齒形精加工（插齒、滾齒等）、最終熱處理（表面淬火）和表面處理（磷化）等。
按改進(jìn)后的加工工藝加工完成之后，對該齒進(jìn)行顯微組織分析，金相組織照片如圖５和圖６所示。
試件經(jīng)金相組織分析可得，齒形表面部位為馬氏體組織，過渡區(qū)馬氏體由外向內(nèi)急劇減少，主要組織為回火索氏體，心部過渡到原始組織珠光體＋鐵素體。磁粉探傷檢測結(jié)果沒有裂紋產(chǎn)生，達(dá)到了預(yù)期效果。
５ 結(jié)語
綜上所述，通過對某設(shè)備４５鋼齒輪斷裂的深入分析，研究了４５鋼材料的熱處理特性和原工藝存在的問題，對斷裂齒輪進(jìn)行硬度和顯微組織分析，找到了齒輪斷裂的原因。針對該型齒輪特點(diǎn)，改進(jìn)齒輪加工工藝，增加了齒形粗加工工序，改善了齒輪熱處理性能，較好地解決了齒輪加工出現(xiàn)的問題，保證了產(chǎn)品加工質(zhì)量，為同類工件的加工提供了解決思路。
參考文獻(xiàn)
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［５］宋濤，顧 軍．熱 處 理 技 術(shù)［Ｍ］．北 京：化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社，２００３．
［６］雷廷權(quán)，傅家 騏．熱處理工藝方法３００種［Ｍ］．北 京：機(jī)械工業(yè)出版社，１９９３.
文章來源：《新技術(shù)新工藝》雜志
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