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渗碳齿部有严重的贯穿型裂纹,是何原因?怎么解决?

目前采煤机均采用无链牵引方式,行走齿轮是采煤机行走的重要组成部分,其模数mn可达到40以上。采煤机齿轮热处理的突出特点为大模数轮齿的心部硬度要求达到38HRC以上,以保证足够的弯曲疲劳性能,因此行走齿轮常采用高淬透性的18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4或18CrNiMo7-6材质。目前国内煤机行业常用18Cr2Ni4WA及20Cr2Ni4材质,此两种渗碳钢端淬数值下降平缓。


某图号行走齿轮(见图1),材料为18Cr2Ni4WA,该产品采用渗碳后油淬火工艺,在回火后发现渗碳齿部有严重的贯穿型裂纹(见图2)。

图1 行走轮形貌及尺寸


图2 轮齿裂纹


1.热处理工艺

开裂事件后对行走齿轮热处理工艺进行调查,其采用渗碳后降温淬火路线,行走齿轮工艺硬化层深3.0~3.5mm,渗碳温度940℃,强渗碳势1.10%,扩散碳势0.72%,渗碳后降温到820℃均温后淬火,油温60℃,在油槽冷却时间为0.5h,回火工艺为160℃保温4h。


对该工件对应的锻件奥氏体晶粒度检查,发现其晶粒度结果为混晶,呈现粗晶3.5级60%,细晶6.5级40%,锻件奥氏体晶粒度试验采用的工艺为930℃保温5h后淬火,采用苦味酸腐蚀奥氏体晶粒度。


2.检验

对工件裂纹形貌检查,选取开裂处切取一个单齿,暴露裂纹面,裂纹面宏观检验,裂纹面形貌一致,呈现应力型裂纹形貌,如图3所示。

图3  解剖取样


(1)化学成分

18Cr2Ni4WA化学成分要求及实测值如附表所示,本体解剖的化学成分符合技术要求。

本体化学成分(质量分数)检测结果   (%)


(2)应力测试

为了测试裂纹工件的应力情况,对工件裂纹处及附近无裂纹处进行了残余应力检测,采用爱思特X射线衍射仪,检测残余应力数据如下:

①裂纹区域两点:-161MPa、-187MPa。

②无裂纹的正常区域三点:-189MPa、-28MPa、-103MPa。


残余应力检测结果显示工件的裂纹区与非裂纹区均为残余压应力且应力结果相当,表明开裂后工件应力得到释放,最终应力呈现常规渗碳层较小压应力的基本特征。


(3)微观组织检验

对端面裂纹附近齿部进行磨制抛光后腐蚀,如图4所示,按照JB/T6141.3标准检测,组织检测结果为碳化物1级,马氏体2级,表面局部存在较长的马氏体针,残留奥氏体2级,心部铁素体1级。

图4  齿部金相组织


对裂纹垂直面心部检测发现组织局部较粗大,如图5所示,对此裂纹区域表层和心部晶粒度进行苦味酸腐蚀,如图6所示,发现表层晶粒度和心部晶粒度均有混晶现象,混晶程度远超出标准及技术要求范围,表层混晶:粗晶4.5级30%,细晶7级70%,心部混晶:粗晶3级30%,细晶7级70%。

图5 裂纹处表面金相组织

(a)裂纹区域表层晶粒度

(b)裂纹区域心部晶粒度

图  6


3.分析与结论

18Cr2Ni4W为高淬透性渗碳钢,无珠光体及铁素体转变区,心部在渗碳空冷后获得贝氏体及局部马氏体组织(见图7),其高淬透性特征可保证大模数行走轮心部完全淬透,轮齿心部以及壁厚中部为完全马氏体组织,马氏体的比体积大于热处理前的贝氏体比体积,淬火后马氏体组织含量越高,行走轮体积膨胀量越大,组织转变产生的淬火应力越大。

图7 心部空冷后贝氏体及马氏体组织


此18Cr2Ni4W工件采用940℃渗碳降温淬火工艺,此工艺相比渗碳后重新加热淬火工艺而言内应力较大,且在淬火后回火时间较短,回火未充分从而引起淬火应力释放未完全,此工艺路线是回火后开裂的一个诱因。对本体解剖微观组织检测,裂纹区域的组织较为粗大,对应的晶粒度存在较严重混晶现象,混晶将导致工件淬火后内部产生不均匀应力,工件对应锻件试样奥氏体晶粒度也为混晶,混晶是导致工件开裂的另一个诱因。此开裂事件也表明锻件奥氏体晶粒度检测结果与渗碳降温淬火的晶粒度长大倾向相同,锻件奥氏体晶粒度混晶者不可采用相同渗碳温度的降温淬火路线。


18Cr2Ni4W为低碳高合金渗碳钢,Cr、Ni、W元素含量远高于常规的20CrMnMo、20CrNiMo等渗碳钢,合金元素越高,其在均温时的合金均匀度指标上要弱于合金含量相对低的渗碳钢,3.0~3.5mm硬化层需要40h以上渗碳时间,长时间渗碳容易局部晶粒异常长大,在降温淬火时不会细化渗碳晶粒度,最终淬火后渗碳混晶得以保留。一般18Cr2Ni4W采用渗碳后二次高温回火再重新加热淬火路线,采用此热处理路线可以保证残留奥氏体等金相组织性能基础上产生较小的淬火应力。若18Cr2Ni4W需要采用渗碳降温淬火路线,则必须控制锻件奥氏体晶粒度指标不能存在混晶现象,锻件奥氏体晶粒度检测的温度及保温时间需要与渗碳温度及保温时间基本相同,同时需要控制淬火冷却介质的冷却速度以及充足的回火时间,以减小淬火应力。


如上分析,此图号行走齿轮裂纹产生的原因为渗碳降温淬火后回火时间较短以及严重混晶导致淬火应力无法完全释放,淬火应力超出材料强度极限后产生开裂。

作者:许仁伟,顾晓明,王秀萍

单位:常州天山重工机械有限公司

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