分享：大模數(shù)齒輪齒根表面斑疤缺陷原因
摘 要:用50CrMoA 鋼生產(chǎn)某大模數(shù)齒輪的過(guò)程中,經(jīng)感應(yīng)熱處理后,在齒根表面發(fā)現(xiàn)明顯斑 疤。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析和金相檢驗(yàn)等方法對(duì)該齒輪齒根表面斑疤產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分 析。結(jié)果表明:該齒輪感應(yīng)熱處理采用齒廓單齒埋油淬火,因感應(yīng)器調(diào)整不當(dāng)或齒形有偏差,故其 齒側(cè)間隙過(guò)小,導(dǎo)致齒輪表面燒熔并產(chǎn)生局部熔融;同時(shí),齒輪表面黏有的淬火油也被燒化,淬火油 燒化后產(chǎn)生的大量碳元素溶入了表層熔融部位,冷卻后在齒輪齒根區(qū)域形成局部高碳的過(guò)共晶組 織,宏觀表現(xiàn)為斑疤狀的缺陷。
關(guān)鍵詞:大模數(shù)齒輪;斑疤;感應(yīng)淬火;熔融;過(guò)共晶組織
中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)09-0049-03
大模數(shù)齒輪常用于礦山、石油鉆井平臺(tái)、機(jī)車、 鋼廠設(shè)備等重大裝備上,齒輪需要具有優(yōu)良的耐磨 性能、抗接觸疲勞性能和抗彎曲疲勞性能。很多學(xué) 者對(duì)于齒輪失效的模式和原因進(jìn)行了多方面研究, 包括組裝不良、過(guò)載偏載、輪齒加工不合理及表面缺 陷等引起的齒輪斷裂、剝落、磨損等[1-6],但對(duì)于熱處 理原因?qū)е慢X輪失效的研究則較少。
用50CrMoA 鋼生產(chǎn)大模數(shù)齒輪,其生產(chǎn)工藝 為:熱軋圓料下料→鍛造及碾環(huán)→調(diào)質(zhì)→機(jī)械加工→感應(yīng)熱處理(齒廓單齒埋油淬火)→齒面磨削加 工。當(dāng)對(duì)磨削后的齒輪進(jìn)行磨削燒傷抽檢時(shí),發(fā)現(xiàn) 齒輪中部分齒根區(qū)域表面有明顯的亮斑疤。為查明 齒輪齒根區(qū)域表面斑疤產(chǎn)生的原因,筆者對(duì)存在缺 陷的齒輪進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)與分析。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
失效齒輪表面斑疤的宏觀形貌如圖1所示,可 見(jiàn)斑疤位于齒寬中部區(qū)域的齒根表面,斑疤形狀不 規(guī)則,呈小塊、發(fā)白狀,其長(zhǎng)度約為7mm。
1.2 化學(xué)成分分析
從存在缺陷的齒輪上取樣,采用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可 知,該齒輪的化學(xué)成分符合 GB/T3077—2016 《合 金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)50CrMoA 鋼的要求。
1.3 金相檢驗(yàn)
在齒根表面斑疤處截取試樣,經(jīng)磨制、拋光和侵 蝕后用光學(xué)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察,齒根表面斑疤處 的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知:齒根表 面斑疤處表層組織與基體組織顏色不一致,呈深度 不均勻的圓弧截面狀,該斑疤處表層組織為萊氏體 +粗大一次滲碳體,而表面與內(nèi)部銜接處的過(guò)渡組 織為粗大馬氏體+殘余奧氏體,在過(guò)渡層下是正常 的感應(yīng)淬火組織(回火馬氏體)。齒根表面正常處及 心部的顯微組織形貌如圖3所示,可見(jiàn)表面正常組 織為回火馬氏體,心部組織為貝氏體+珠光體+鐵 素體。
2 綜合分析
由上述分析可知:齒根圓弧表面灰白色斑疤的截 面形態(tài)為大圓弧形,是典型激光淬火區(qū)域的形態(tài);斑 疤表層組織為萊氏體+粗大一次滲碳體,與過(guò)共晶白 口鑄鐵類似;過(guò)渡區(qū)為粗大馬氏體+殘余奧氏體;在 過(guò)渡層下是正常的感應(yīng)淬火組織(回火馬氏體),說(shuō)明 該齒輪在感應(yīng)淬火時(shí)產(chǎn)生了局部燒熔現(xiàn)象。
齒輪燒傷或燒熔是感應(yīng)淬火過(guò)程中產(chǎn)生的一種 質(zhì)量缺陷,主要是由齒輪形狀、感應(yīng)器形狀和電流頻 率高低以及感應(yīng)器與工件的間隙所引起的過(guò)熱、過(guò) 燒造成的[7-9],易發(fā)生在鍵槽、圓孔和圓弧的邊緣。 萊氏體組織只在碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不小于4.3%的 材料中出現(xiàn),50CrMoA 鋼作為中碳合金鋼,即使出 現(xiàn)局部燒熔,也不會(huì)產(chǎn)生類似于過(guò)共晶白口鑄鐵組 織,因此可以判斷,斑疤的產(chǎn)生與該齒輪的齒廓單齒 埋油淬火工藝有關(guān)。
齒廓單齒埋油感應(yīng)淬火[10-12]工藝的流程為:首先 將齒輪裝入淬火設(shè)備中,感應(yīng)器對(duì)應(yīng)齒輪的某單個(gè)齒 溝,通電而感生渦流,并對(duì)齒輪單個(gè)齒溝的表層進(jìn)行 加熱(見(jiàn)圖4);然后將齒輪下降至淬火槽中,槽中的 淬火油使齒輪淬冷,冷卻后將齒輪旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,使 下一個(gè)齒溝對(duì)準(zhǔn)感應(yīng)器,完成一個(gè)齒溝的感應(yīng)加熱淬 火過(guò)程;繼續(xù)對(duì)齒輪沿齒溝方向進(jìn)行逐齒溝感應(yīng)加熱 淬火,最終完成一個(gè)齒輪的感應(yīng)加熱淬火。感應(yīng)器的 齒形與齒輪齒形各部分之間的間隙直接影響了齒輪 加熱淬硬層的厚度和形狀,齒側(cè)間隙過(guò)大,會(huì)使感應(yīng) 器的加熱效率變低,導(dǎo)致齒輪的加熱效果較差,硬化 層較淺,甚至?xí)霈F(xiàn)非淬硬區(qū)(軟帶);齒側(cè)間隙過(guò)小, 感應(yīng)器的加熱效率在各個(gè)部位會(huì)不一致,導(dǎo)致局部加 熱速率過(guò)快,形成高溫區(qū),并出現(xiàn)過(guò)燒或燒熔現(xiàn)象。
由齒廓單齒埋油感應(yīng)淬火過(guò)程可知:單個(gè)齒溝 的表層在加熱時(shí),齒溝表面是黏有一層淬火油的,加 熱時(shí)淬火油會(huì)被高溫?zé)?。?dāng)感應(yīng)器調(diào)整不當(dāng)或齒 形有偏差,造成齒側(cè)間隙過(guò)小時(shí),感應(yīng)加熱后容易形 成局部高溫區(qū),出現(xiàn)過(guò)燒或燒熔現(xiàn)象。淬火油與金屬在快速升溫中一同熔融,淬火油燒化后產(chǎn)生的碳 元素溶入表層熔融部位,冷卻后在齒輪齒根區(qū)域形 成局部高 碳 的 過(guò) 共 晶 組 織,宏 觀 表 現(xiàn) 為 斑 疤 狀 的 缺陷。
3 結(jié)論及建議
該齒輪感應(yīng)熱處理采用了齒廓單齒埋油感應(yīng)淬 火工藝,因感應(yīng)器調(diào)整不當(dāng)或齒形有偏差,造成齒側(cè) 間隙過(guò)小,導(dǎo)致齒輪表面燒熔,并產(chǎn)生局部熔融;在 快速升溫過(guò)程中,齒輪表面黏有的淬火油與金屬一 同熔融、燒化,并產(chǎn)生大量碳元素,溶入金屬表層熔 融部位,冷卻后在齒輪齒根區(qū)域形成局部高碳的過(guò) 共晶組織,宏觀表現(xiàn)為斑疤狀的缺陷。
建議選擇合適的齒輪加工方式及加工參數(shù),降 低齒輪齒形的加工偏差,以獲得均勻的齒形余量,保 證齒輪良好的熱處理性能。
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