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弧齿锥齿轮渗碳裂纹成因分析和改进措施上

     针对减速机弧齿锥齿轮渗碳后出现大量裂纹,通过对裂纹的宏观、微观形貌和金相分析、渗层测定,发现弧齿锥齿轮的开裂是由于热处理工艺缺陷产生的残余应力过大所致。在此基础上,提出减少出现类似事故的改进措施。

  1.失效故障概述

  3对减速机用弧齿锥齿轮,按技术要求在热处理加工公司进行了热处理。在热处理工艺进入强渗阶段时,操作人员发现炉内碳势达不到工艺要求的数值。相关技术人员到现场检查,检查结果是氧碳头出现了问题,决定降温,出炉缓冷工件。从发现问题到落实解决问题持续了大约3h。

  更换氧碳头后,操作人员将工件按热处理工艺规程再进行加工处理。将热处理完毕的齿轮,转送加工部门粗加工时发现:大小锥齿轮都有大量裂纹。

  弧齿锥齿轮为锻棒件,所用材料为18CrNiMo7-6钢,处理工艺为:925℃渗碳15h+扩散5.5h+820℃淬火+180℃回火8h。

  本文主要内容就是说明裂纹的宏观、微观形貌,分析裂纹产生的原因,并提出减少出现类似事故的改进措施。

  2.试验过程与结果

  (1)裂纹的宏观形貌

  从外形上观察三对锥齿轮裂纹形貌。其形貌分为3种:一种为沿齿根处的小裂纹,另一种为齿根处向外延伸的大裂纹。第三种为螺纹孔处向外延伸的裂纹,三种裂纹都起源于应力集中比较大的部位,如齿根圆角处或螺纹孔处,属于热处理应力集中裂纹。在图1c中还可以区分主裂纹和次裂纹。

  (2)裂纹的微观形貌

  从主裂纹上取样,制样后在显微镜下(100×)观察裂纹,发现沿齿根处的裂纹,其深度0.94mm。裂纹及工件表面有氧化现象。裂纹处的氧化深度(25.27μm),。比工件表面的氧化深度(31.65μm)略浅。

  将裂纹断口人工机械打开对断口进行电镜观察,裂纹断口有污染物如图5所示,经过清理后,电镜观察其断口形貌,其中观察点1、2、3位于热处理裂纹区-深色区,相应的断口形貌;观察点4位于静断区-浅色区,相应的断口形貌。

  裂纹断口的氧化物清理后呈现一种疏松(豆腐渣形)的断口形貌,与疲劳断口和静断断口有鲜明的不同。

  (3)金相检查

  渗层中的金相组织:马氏体级别、碳化物级别、残留奥氏体级别都合格。

  (4)较好的硬化层深度检查

  检查发现,齿轮的较好硬化层深度出现异常。热处理工艺要求1.8mm(1.7~2.1mm),实际检验实物齿轮较好硬化层深度2.8mm,如图11所示。超出工艺要求0.7mm。

  换上新氧探头后,整个热处理过程按着1.8mm热处理工艺加工的。实际检验结果,减好硬化层深度高出技术要求很多;说明一次渗碳时,到达碳势后,炉内大约有3h因氧探头有问题而未显示出来真值,但炉内实际碳势很高。齿轮在3h内一直在无氧碳头控制的情况下渗碳,再加上降温保温时间,齿轮至少渗碳了1.7mm渗层深度。

      下期我们将继续讲述弧齿锥齿轮渗碳裂纹成因分析和改进措施。