目前采煤機(jī)均采用無鏈牽引方式,行走齒輪是采煤機(jī)行走的重要組成部分,其模數(shù)mn可達(dá)到40以上。采煤機(jī)齒輪熱處理的突出特點(diǎn)為大模數(shù)輪齒的心部硬度要求達(dá)到38HRC以上,以保證足夠的彎曲疲勞性能,因此行走齒輪常采用高淬透性的18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4或18CrNiMo7-6材質(zhì)。目前國內(nèi)煤機(jī)行業(yè)常用18Cr2Ni4WA及20Cr2Ni4材質(zhì),此兩種滲碳鋼端淬數(shù)值下降平緩。
某圖號行走齒輪(見圖1),材料為18Cr2Ni4WA,該產(chǎn)品采用滲碳后油淬火工藝,在回火后發(fā)現(xiàn)滲碳齒部有嚴(yán)重的貫穿型裂紋(見圖2)。
圖1 行走輪形貌及尺寸
圖2 輪齒裂紋
1.熱處理工藝
開裂事件后對行走齒輪熱處理工藝進(jìn)行調(diào)查,其采用滲碳后降溫淬火路線,行走齒輪工藝硬化層深3.0～3.5mm,滲碳溫度940℃,強(qiáng)滲碳勢1.10%,擴(kuò)散碳勢0.72%,滲碳后降溫到820℃均溫后淬火,油溫60℃,在油槽冷卻時(shí)間為0.5h,回火工藝為160℃保溫4h。
對該工件對應(yīng)的鍛件奧氏體晶粒度檢查,發(fā)現(xiàn)其晶粒度結(jié)果為混晶,呈現(xiàn)粗晶3.5級60%,細(xì)晶6.5級40%,鍛件奧氏體晶粒度試驗(yàn)采用的工藝為930℃保溫5h后淬火,采用苦味酸腐蝕奧氏體晶粒度。
2.檢驗(yàn)
對工件裂紋形貌檢查,選取開裂處切取一個(gè)單齒,暴露裂紋面,裂紋面宏觀檢驗(yàn),裂紋面形貌一致,呈現(xiàn)應(yīng)力型裂紋形貌,如圖3所示。
圖3 解剖取樣
(1)化學(xué)成分
18Cr2Ni4WA化學(xué)成分要求及實(shí)測值如附表所示,本體解剖的化學(xué)成分符合技術(shù)要求。
本體化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))檢測結(jié)果 (%)
(2)應(yīng)力測試
為了測試裂紋工件的應(yīng)力情況,對工件裂紋處及附近無裂紋處進(jìn)行了殘余應(yīng)力檢測,采用愛思特X射線衍射儀,檢測殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)如下:
①裂紋區(qū)域兩點(diǎn):-161MPa、-187MPa。
②無裂紋的正常區(qū)域三點(diǎn):-189MPa、-28MPa、-103MPa。
殘余應(yīng)力檢測結(jié)果顯示工件的裂紋區(qū)與非裂紋區(qū)均為殘余壓應(yīng)力且應(yīng)力結(jié)果相當(dāng),表明開裂后工件應(yīng)力得到釋放,最終應(yīng)力呈現(xiàn)常規(guī)滲碳層較小壓應(yīng)力的基本特征。
(3)微觀組織檢驗(yàn)
對端面裂紋附近齒部進(jìn)行磨制拋光后腐蝕,如圖4所示,按照J(rèn)B/T6141.3標(biāo)準(zhǔn)檢測,組織檢測結(jié)果為碳化物1級,馬氏體2級,表面局部存在較長的馬氏體針,殘留奧氏體2級,心部鐵素體1級。
圖4 齒部金相組織
對裂紋垂直面心部檢測發(fā)現(xiàn)組織局部較粗大,如圖5所示,對此裂紋區(qū)域表層和心部晶粒度進(jìn)行苦味酸腐蝕,如圖6所示,發(fā)現(xiàn)表層晶粒度和心部晶粒度均有混晶現(xiàn)象,混晶程度遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求范圍,表層混晶:粗晶4.5級30%,細(xì)晶7級70%,心部混晶:粗晶3級30%,細(xì)晶7級70%。
圖5 裂紋處表面金相組織
(a)裂紋區(qū)域表層晶粒度
(b)裂紋區(qū)域心部晶粒度
圖 6
3.分析與結(jié)論
18Cr2Ni4W為高淬透性滲碳鋼,無珠光體及鐵素體轉(zhuǎn)變區(qū),心部在滲碳空冷后獲得貝氏體及局部馬氏體組織(見圖7),其高淬透性特征可保證大模數(shù)行走輪心部完全淬透,輪齒心部以及壁厚中部為完全馬氏體組織,馬氏體的比體積大于熱處理前的貝氏體比體積,淬火后馬氏體組織含量越高,行走輪體積膨脹量越大,組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的淬火應(yīng)力越大。
圖7 心部空冷后貝氏體及馬氏體組織
此18Cr2Ni4W工件采用940℃滲碳降溫淬火工藝,此工藝相比滲碳后重新加熱淬火工藝而言內(nèi)應(yīng)力較大,且在淬火后回火時(shí)間較短,回火未充分從而引起淬火應(yīng)力釋放未完全,此工藝路線是回火后開裂的一個(gè)誘因。對本體解剖微觀組織檢測,裂紋區(qū)域的組織較為粗大,對應(yīng)的晶粒度存在較嚴(yán)重混晶現(xiàn)象,混晶將導(dǎo)致工件淬火后內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力,工件對應(yīng)鍛件試樣奧氏體晶粒度也為混晶,混晶是導(dǎo)致工件開裂的另一個(gè)誘因。此開裂事件也表明鍛件奧氏體晶粒度檢測結(jié)果與滲碳降溫淬火的晶粒度長大傾向相同,鍛件奧氏體晶粒度混晶者不可采用相同滲碳溫度的降溫淬火路線。
18Cr2Ni4W為低碳高合金滲碳鋼,Cr、Ni、W元素含量遠(yuǎn)高于常規(guī)的20CrMnMo、20CrNiMo等滲碳鋼,合金元素越高,其在均溫時(shí)的合金均勻度指標(biāo)上要弱于合金含量相對低的滲碳鋼,3.0～3.5mm硬化層需要40h以上滲碳時(shí)間,長時(shí)間滲碳容易局部晶粒異常長大,在降溫淬火時(shí)不會(huì)細(xì)化滲碳晶粒度,最終淬火后滲碳混晶得以保留。一般18Cr2Ni4W采用滲碳后二次高溫回火再重新加熱淬火路線,采用此熱處理路線可以保證殘留奧氏體等金相組織性能基礎(chǔ)上產(chǎn)生較小的淬火應(yīng)力。若18Cr2Ni4W需要采用滲碳降溫淬火路線,則必須控制鍛件奧氏體晶粒度指標(biāo)不能存在混晶現(xiàn)象,鍛件奧氏體晶粒度檢測的溫度及保溫時(shí)間需要與滲碳溫度及保溫時(shí)間基本相同,同時(shí)需要控制淬火冷卻介質(zhì)的冷卻速度以及充足的回火時(shí)間,以減小淬火應(yīng)力。
如上分析,此圖號行走齒輪裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)闈B碳降溫淬火后回火時(shí)間較短以及嚴(yán)重混晶導(dǎo)致淬火應(yīng)力無法完全釋放,淬火應(yīng)力超出材料強(qiáng)度極限后產(chǎn)生開裂。
作者:許仁偉,顧曉明,王秀萍
單位:常州天山重工機(jī)械有限公司
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