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某45钢齿轮断裂分析及改进措施

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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]。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钢齿轮结构如图所示其中热处理要求调质处理220250 HBW齿 面淬火5863HRC其他主要基本参数见表

齿轮加工工艺分析

该齿轮的生产流程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


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


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

加热温度45钢加热温度一般选择在Ac3以上3050℃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和图所示

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c3780℃3050 ℃),淬火后硬度能达到5659HRC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将表面淬火硬度降低到4555HRC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


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和图所示

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

高为国王高升李东锋.45钢齿轮淬火裂纹的形成及扩展湖南工程学院学报自 然 科 学 版201222):13-16. 

王少俊机械制造工艺设计手册北 京机 械 工 业 出版社1994.

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河北工业科技2008):153-155.

王广生金属热处理缺陷分析及案例北 京机械工业出版社1997.

宋涛顾 军热 处 理 技 术北 京化 学 工 业 出 版 社2003.

雷廷权傅家 骐热处理工艺方法300北 京机械工业出版社1993.

章来源:《新技术新工艺》杂志

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