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第 卷 第 期 年 月 钢锥齿轮轴纵裂原因分析 黄建斌 (宁夏天地奔牛实业集团有限公司, 宁夏 石嘴山 ) ( , , , ) 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: () 收稿日期: 作者简介:黄建斌(),男,高级工程师,工学硕士,主要从事热处 理生产技 术 开 发 和 应 用 研 究, 已 发 表 论 文 篇,联 系 电 话: , : : 钢是一种低碳高合金渗碳钢,含有 较多的 、 和 元素,其中 的含量较多,故该 钢有极好的淬透性,加热后即使在空气中冷却也能获 得较高的硬度,经渗碳后有良好的综合力学性能 , 因此一般被选用为重载齿轮用钢。 某重载减速器的 钢锥齿轮,在生产过程中有些轴出现磨 削纵向开裂,如图 所示。 锥齿轮轴的工艺流程是:下 料锻造一次正火粗加工二次正火精加工 渗碳淬火车渗碳层磨削,渗碳淬火设备是 型密封箱式多用炉,碳势控制精度 。 本文从 原材料、热处理工艺等方面对轴开裂问题进行了分析 研究,提出了解决方案。 图 开裂锥齿轮轴照片 检测分析 检测分析过程 用线切割沿断裂轴横截面截取厚 的切片, 在平面磨床上把切片表面磨光,用 洛氏硬度 计测硬度,在开裂轴的齿部取表面和心部金相试样各 件,用奥林帕斯金相显微镜分析渗层组织及对夹杂 物评级。 测试中所参照标准为 重 载齿轮 渗碳金相检验和 钢中非 金属夹杂物显微评定方法。 检测结果 实测的开裂锥齿轮轴的化学成分见表 ,符合标 准 合金结构钢的规定值。 表 开裂 钢锥齿轮轴的化学成分(质量分数,) ( , ) 元素 实测值T M 烫 帋 帋 经检测,齿部渗碳淬火试样的表面硬度为 ,符合 的技术要求。 切片横截 面硬度的检测部位如图 所示,、 都是从距表面 处开始每隔 测一点,检查结果如图 所 示,心部和表面硬度高,最高 ,靠近 R 处硬 度最低,为 。 图 锥齿轮轴切片硬度检测部位示意图 金相检验结果如图 所示。 表层组织为马氏体 残留奥氏体 少量碳化物,心部为板条马氏体。 第 卷 图 开裂锥齿轮轴横截面硬度分布 图 开裂锥齿轮轴的显微组织 ()表层;()心部 () ; () 锥齿轮轴的失效机理分析 从表 结果来看,开裂的锥齿轮轴的化学成分并 没有超过标准规定,而且在检验过程中对低倍组织、非 金属夹杂物的观察也没有发现异常,基本可以排除原 材料缺陷的因素;图 的显微组织结果符合要求,且马 氏体、残留奥氏体及碳化物都为 级,说明渗碳过程中 碳势稳定;失效轴的渗碳淬火工艺为轴部涂防渗碳涂 料, 渗碳 ,随炉冷至 保温 ,在快速光 亮淬火油强冷 后缓冷 ,再进行 和 两次低温回火,回火时间都为 。 从此工艺参 数看,渗碳、淬火及回火参数都正常,组织级别也不高, 有资料 表明, 钢在 经长时间渗碳, 晶粒也不会长大,值得怀疑的只有淬火冷却参数。 长期以来,热处理生产中都存在“重热轻冷”的现 象,即重视加热的控制而忽视冷却介质温度及冷却时 间的控制,通过控制淬火介质和冷却时间来控制淬火 烈度,再加上控制搅拌以减少变形开裂的倾向 ,图 所示的轴是纵向开裂,而且是在渗碳淬火工序结束后 车去轴表面预留量后开裂的,因此推测轴纵向开裂与 冷却速度过快导致整体淬透有直接关系。 从图 所示 的轴横截面的硬度来看,轴心部距表面 处硬度 达 ,应力为拉应力,硬度最低处在轴横截面约 R 处,为 ,其应力可能为压应力,整个截面淬 透 ,从图 ()所示的心部组织也印证了这一点。 此轴横截面直径为 ,在快速淬火油中冷 却时,快速冷却使表面和心部的温差变小,因此整个截 面在很短时间内都会淬硬。 因轴部在渗碳前刷了防渗 碳涂料,表层不会渗碳,这样表层先于心部发生组织转 变形成马氏体。 继续冷却时,心部到达相变温度开始 组织转变,而表层的组织转变已完成,变形抗力大,限 制阻碍心部的马氏体向外胀大,因而心部就产生了较 大的压应力,而表层则受心部马氏体组织转变的胀大 作用则出现一个很高的拉应力,此应力值基本上与硬 度值对应,如图,R 处为压应力的峰值,表面和轴心 是张应力峰值。 冷却到 以下时,轴的组织转变都 完成,因表面温度下降快,内部还保持较高的温度,热应 力占主导地位,虽然内部的冷却收缩又使表层产生一个 较小的压应力,但由于油温升高等因素,实际的心 表温 差并不大,因此,淬火结束后,轴的表层是拉应力,R 处为压应力,心部则为拉应力,应力保持平衡。 当把轴的表层车掉之后,在表层强度较高的材料 部分被去掉的同时,轴的直径也减小了,但内部马氏体 转变对表面的形成的拉应力并没有变。 对于整体淬硬 的轴来说,径向、轴向和切向都处于很高的拉应力状 态,随着轴表层状态的变化,应力重新分布,超过了表 层材料的强度极限,最终沿纵向裂开。 改进措施和效果 钢淬透性极高,适用于重载齿轮,但 对有效厚度在一定范围内的零件来说并不适用,快速 光亮淬火油使零件处于危险淬裂尺寸 ,根据以上分 析,采取了以下措施:一是改变淬火冷却工艺参数,取 消快速冷却,增加淬火前预冷的工艺,即在入油前空冷 ,适当延长缓冷时间,控制轴的冷却速度,使 表面淬硬,心部不淬火;二是调整材料的化学成分,、 、 都是能强烈增加钢的淬透性的元素,相对于有 第 卷 第 期 年 月 钢凸轮轴表面磨损失效分析 焦 丽, 葛保红, 张燕明, 徐向阳, 孙思东 (河北华北柴油机有限责任公司, 河北 石家庄 ) 摘要:采用宏观检验、润滑油油品性能测试、化学成分分析、力学性能测试、金相检验和显微硬度测试等手段对 钢单体泵 凸轮轴表面磨损失效的原因进行了分析。 结果表明,造成该凸轮轴表面磨损的主要原因是,凸轮轴表层组织中硬而脆的块状及网 状碳化物降低了轴颈表面的接触疲劳强度,加大了其沿晶剥落的可能性。 其次,磨削二次淬火马氏体的出现,在迭加了上述组织缺 陷的基础上,产生了裂纹和脆性剥落。 剥落的颗粒成为磨粒参与磨削,导致凸轮轴早期磨损失效。 关键词:凸轮轴;磨损失效;块状及网状碳化物;磨削淬火 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: () 效截面较小的零件来说,容易整体淬透,内应力过大, 因此适当降低 、 等元素的含量,以降低淬透性。 通过调整工艺参数和钢材的化学成分,此轴及类 似的锥齿轮轴再也没有出现过开裂的现象。 结语 钢淬透性极高,适用于重载齿轮,在 实际选材中应注意适当调整其合金元素含量,热处理 冷却工艺应注意采用较慢的冷却速度,否则其高淬透 性会带来淬火开裂的不良后果。 参考文献: 姚一维 钢齿轮的渗碳处理机械工人(热加工), (): , (): 刘俊祥, 王京晖, 李 俏, 等 和 钢高温 渗碳工艺的研究与应用金属热处理, , (): , , , , , (): , 赵海鸥, 控时浸淬系统()原理及在周期 式和连续式生产中的应用金属热处理, , (): , , () , , (): 夏立芳金属热处理工艺学哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版 社, : 方其先, 赵中全热处理手册(第四卷)热处理过程中的质量控 制北京: 机械工业出版社, : , , , , ( , , , ) : , , , , , : ; ; ; 单体泵凸轮轴也叫供油凸轮轴,它是柴油机供油 系统的主要驱动部件,其作用是通过外形轮廓曲线准 确驱动电控单体泵完成定时喷油。 在此过程中,单体 泵供油压力和转速的不断变化使凸轮轴一直在重载和 收稿日期: 作者简介:焦 丽(),女,工程师,主要从事金相分析与检测及零 部件失效分析,联系电话:, : : 高频下工作,处于复杂的应力状态,所以

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