通过对某设备45#钢齿轮断裂的深入分析，研究了45#钢材料的热处理特性和原工艺存在的问题，对断裂齿轮进行了硬度和显微组织分析，找到了齿轮断裂的原因。针对该型齿轮特点，改进齿轮加工工艺，增加了齿形粗加工工序，改善了齿轮热处理性能，较好地解决了齿轮加工出现的问题，保证了产品加工质量，为该型齿轮加工提供了参考。
齿轮作为传动系统的组成部分，在机械行业有着广泛的应用。４５钢来源广泛，具有较高的强度和较好的切削加工性，成为加工齿轮的主要原材料之一［１］。某设备４５钢齿轮在使用过程中出现断裂现象，其形态为沿齿长纵向方向整齿断裂，断裂面两端部分呈金属光泽，纹路清晰，中间部分已氧化，无金属光泽，早已出现裂纹。本文以该４５钢齿轮断裂为研究对象，从工艺、材料、热处理等方面分析原因，提出改进措施，保证产品质量。
１ 齿轮零件简介
某设备４５钢齿轮结构如图１所示，其中热处理要求：调质处理２２０～２５０ ＨＢＷ，齿 面淬火５８～６３ＨＲＣ，其他主要基本参数见表１。
2 齿轮加工工艺分析
该齿轮的生产流程［２］主要为：毛坯加工（棒料锯割）、粗加工（粗车外形及内孔）、中间热处理（退火、正火、调质）、精加工（精车外形及内孔、割键槽）、齿形加工（插齿、滚齿等）、最终热处理（表面淬火）和表面处理（磷化）等。由于该齿轮要求一定的综合力学性能，故采用调质工艺作为中间热处理，为后续表面淬火等最终热处理作组织准备。最终热处理采用高频表面淬火，热处理后不再进行精加工。
由于４５钢淬透性较差，鉴于该齿轮的尺寸、结构和加工工艺，该齿轮在做调质处理时，存在调质层深度未能达到节圆以下部分的可能性，而齿轮在感应加热淬火时在齿根部分存在热影响区，如该区域未能产生调质组织，则会影响该区域的力学性能，使该区域的弯曲疲劳强度降低，存在产生裂纹的隐患。
3 断裂原因分析
由于４５钢具有较强的淬火开裂敏感性［３－６］，淬火时会引起齿轮应力的急剧变化，齿轮淬火经过加热、保温和冷却３个过程，期间会发生热胀冷缩体积变化和金相组织变化，从而产生相应的热应力和组织应力。齿轮表面淬火时，会受到热应力与组织应力的同时作用，当叠加的应力增大至超过齿轮抗拉强度时，就会产生裂纹。影响齿轮热应力、组织应力的主要因素如下。
１）加热速度。加热速度太快，导致受热不均匀，易产生较大的热应力。
２）加热温度。４５钢加热温度一般选择在Ａｃ３以上３０～５０℃，温度太低，组织转变不彻底，达不到热处理要求，太高易造成过热，使奥氏体组织粗大，降低钢的极限强度。
对该齿轮进行齿面硬度分析，齿根处硬度梯度曲线如图２所示。
检测结果表明，齿轮是由于齿根处强度不够，裂纹从齿根附近开始产生，然后向齿顶处扩展，最后导致整齿断裂。
再对该齿轮齿面显微组织进行分析，金相组织照片如图３和图４所示。
分析可得，齿根处显微组织为小块铁素体＋珠光体，这是４５钢在正火状态下的原始组织，由于４５钢的淬透性差，并且截面尺寸较大，齿根组织并没有在调质（淬火＋高温回火）时如期转化为回火索氏体为主的显微组织，后期高频淬火时，加热速度极快，奥氏体化用的时间短，淬火后遗留铁素体，导致组织不合格，硬度降低。而在其他部位，奥氏体晶粒迅速长大，淬火后获得了较细马氏体，这种组织使钢的脆性增大，内应力较大。其体积膨胀，而齿轮的感应淬火热影响区在齿根附近，该区域受到拉应力并在齿根部分形成应力集中，并且加热过快、温度过高、受热不均匀，存在未溶解铁素体等因素造成局部区域的拉应力大于材料的局部抗拉强度，最终在该区域产生裂纹并延伸。另外４５钢淬火温度在Ａｃ３（７８０℃）＋（３０～５０ ℃），淬火后硬度能达到５６～５９ＨＲＣ，偏高的硬度容易引起淬火裂纹，增加了齿轮产生裂纹的隐患。
４ 齿轮加工工艺改进
上述分析试验表明，产生裂纹的直接原因就是淬火过程中组织应力超过了齿轮局部的材料抗拉强度。解决的方法主要有两方面：一是降低组织应力，二是提高热影响区材料抗拉强度，或者两方面同时采取措施。
针对该型齿轮采取如下措施：１）齿形粗加工完毕后，再进行调质处理，以增强齿根部材料的抗拉强度；２）将表面淬火硬度降低到４５～５５ＨＲＣ，以降低淬火时的组织应力。
改进后的工艺流程为：毛坯加工（棒料锯割）、粗加工（粗车外形及内孔）、齿形初加工（留余量粗加工齿）、中间热处理（退火、正火、调质）、精加工（精车外形及内孔、割键槽）、齿形精加工（插齿、滚齿等）、最终热处理（表面淬火）和表面处理（磷化）等。
按改进后的加工工艺加工完成之后，对该齿进行显微组织分析，金相组织照片如图５和图６所示。
试件经金相组织分析可得，齿形表面部位为马氏体组织，过渡区马氏体由外向内急剧减少，主要组织为回火索氏体，心部过渡到原始组织珠光体＋铁素体。磁粉探伤检测结果没有裂纹产生，达到了预期效果。
５ 结语
综上所述，通过对某设备４５钢齿轮断裂的深入分析，研究了４５钢材料的热处理特性和原工艺存在的问题，对断裂齿轮进行硬度和显微组织分析，找到了齿轮断裂的原因。针对该型齿轮特点，改进齿轮加工工艺，增加了齿形粗加工工序，改善了齿轮热处理性能，较好地解决了齿轮加工出现的问题，保证了产品加工质量，为同类工件的加工提供了解决思路。
参考文献
［１］高为国，王高升，李东锋．４５钢齿轮淬火裂纹的形成及扩展［Ｊ］．湖南工程学院学报：自 然 科 学 版，２０１２，２２（４）：１３－１６．
［２］王少俊．机械制造工艺设计手册［Ｍ］．北 京：机 械 工 业 出版社，１９９４．
［３］李鹏志，齐红梅．４５号钢轴类零件淬火裂纹形成原因及预防措施［Ｊ］．河北工业科技，２００８（３）：１５３－１５５．
［４］王广生，等．金属热处理缺陷分析及案例［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，１９９７．
［５］宋涛，顾 军．热 处 理 技 术［Ｍ］．北 京：化 学 工 业 出 版 社，２００３．
［６］雷廷权，傅家 骐．热处理工艺方法３００种［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，１９９３.
文章来源：《新技术新工艺》杂志
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