分享：大模数齿轮齿根表面斑疤缺陷原因

叶明明,潘小静,赵 宜 

(中天钢铁集团有限公司,常州 213011)

摘 要:用50CrMoA 钢生产某大模数齿轮的过程中,经感应热处理后,在齿根表面发现明显斑 疤。采用宏观观察、化学成分分析和金相检验等方法对该齿轮齿根表面斑疤产生的原因进行了分 析。结果表明:该齿轮感应热处理采用齿廓单齿埋油淬火,因感应器调整不当或齿形有偏差,故其 齿侧间隙过小,导致齿轮表面烧熔并产生局部熔融;同时,齿轮表面黏有的淬火油也被烧化,淬火油 烧化后产生的大量碳元素溶入了表层熔融部位,冷却后在齿轮齿根区域形成局部高碳的过共晶组 织,宏观表现为斑疤状的缺陷。

关键词:大模数齿轮;斑疤;感应淬火;熔融;过共晶组织 

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)09-0049-03

大模数齿轮常用于矿山、石油钻井平台、机车、 钢厂设备等重大装备上,齿轮需要具有优良的耐磨 性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能。很多学 者对于齿轮失效的模式和原因进行了多方面研究, 包括组装不良、过载偏载、轮齿加工不合理及表面缺 陷等引起的齿轮断裂、剥落、磨损等[1-6],但对于热处 理原因导致齿轮失效的研究则较少。 用50CrMoA 钢生产大模数齿轮,其生产工艺 为:热轧圆料下料→锻造及碾环→调质→机械加工 →感应热处理(齿廓单齿埋油淬火)→齿面磨削加 工。当对磨削后的齿轮进行磨削烧伤抽检时,发现 齿轮中部分齿根区域表面有明显的亮斑疤。为查明 齿轮齿根区域表面斑疤产生的原因,笔者对存在缺 陷的齿轮进行了一系列理化检验与分析。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

失效齿轮表面斑疤的宏观形貌如图1所示,可 见斑疤位于齿宽中部区域的齿根表面,斑疤形状不 规则,呈小块、发白状,其长度约为7mm。

1.2 化学成分分析

从存在缺陷的齿轮上取样,采用直读光谱仪对其进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可 知,该齿轮的化学成分符合 GB/T3077—2016 《合 金结构钢》对50CrMoA 钢的要求。 

1.3 金相检验 

在齿根表面斑疤处截取试样,经磨制、抛光和侵 蚀后用光学显微镜对其进行观察,齿根表面斑疤处 的显微组织形貌如图2所示。由图2可知:齿根表 面斑疤处表层组织与基体组织颜色不一致,呈深度 不均匀的圆弧截面状,该斑疤处表层组织为莱氏体 +粗大一次渗碳体,而表面与内部衔接处的过渡组 织为粗大马氏体+残余奥氏体,在过渡层下是正常 的感应淬火组织(回火马氏体)。齿根表面正常处及 心部的显微组织形貌如图3所示,可见表面正常组 织为回火马氏体,心部组织为贝氏体+珠光体+铁 素体。

2 综合分析 

由上述分析可知:齿根圆弧表面灰白色斑疤的截 面形态为大圆弧形,是典型激光淬火区域的形态;斑 疤表层组织为莱氏体+粗大一次渗碳体,与过共晶白 口铸铁类似;过渡区为粗大马氏体+残余奥氏体;在 过渡层下是正常的感应淬火组织(回火马氏体),说明 该齿轮在感应淬火时产生了局部烧熔现象。 齿轮烧伤或烧熔是感应淬火过程中产生的一种 质量缺陷,主要是由齿轮形状、感应器形状和电流频 率高低以及感应器与工件的间隙所引起的过热、过 烧造成的[7-9],易发生在键槽、圆孔和圆弧的边缘。 莱氏体组织只在碳含量(质量分数)不小于4.3%的 材料中出现,50CrMoA 钢作为中碳合金钢,即使出 现局部烧熔,也不会产生类似于过共晶白口铸铁组 织,因此可以判断,斑疤的产生与该齿轮的齿廓单齿 埋油淬火工艺有关。 齿廓单齿埋油感应淬火[10-12]工艺的流程为:首先 将齿轮装入淬火设备中,感应器对应齿轮的某单个齿 沟,通电而感生涡流,并对齿轮单个齿沟的表层进行 加热(见图4);然后将齿轮下降至淬火槽中,槽中的 淬火油使齿轮淬冷,冷却后将齿轮旋转一个角度,使 下一个齿沟对准感应器,完成一个齿沟的感应加热淬 火过程;继续对齿轮沿齿沟方向进行逐齿沟感应加热 淬火,最终完成一个齿轮的感应加热淬火。感应器的 齿形与齿轮齿形各部分之间的间隙直接影响了齿轮 加热淬硬层的厚度和形状,齿侧间隙过大,会使感应 器的加热效率变低,导致齿轮的加热效果较差,硬化 层较浅,甚至会出现非淬硬区(软带);齿侧间隙过小, 感应器的加热效率在各个部位会不一致,导致局部加 热速率过快,形成高温区,并出现过烧或烧熔现象。

由齿廓单齿埋油感应淬火过程可知:单个齿沟 的表层在加热时,齿沟表面是黏有一层淬火油的,加 热时淬火油会被高温烧化。当感应器调整不当或齿 形有偏差,造成齿侧间隙过小时,感应加热后容易形 成局部高温区,出现过烧或烧熔现象。淬火油与金 属在快速升温中一同熔融,淬火油烧化后产生的碳 元素溶入表层熔融部位,冷却后在齿轮齿根区域形 成局部高 碳 的 过 共 晶 组 织,宏 观 表 现 为 斑 疤 状 的 缺陷。

3 结论及建议

该齿轮感应热处理采用了齿廓单齿埋油感应淬 火工艺,因感应器调整不当或齿形有偏差,造成齿侧 间隙过小,导致齿轮表面烧熔,并产生局部熔融;在 快速升温过程中,齿轮表面黏有的淬火油与金属一 同熔融、烧化,并产生大量碳元素,溶入金属表层熔 融部位,冷却后在齿轮齿根区域形成局部高碳的过 共晶组织,宏观表现为斑疤状的缺陷。 建议选择合适的齿轮加工方式及加工参数,降 低齿轮齿形的加工偏差,以获得均匀的齿形余量,保 证齿轮良好的热处理性能。 

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