推土機齒輪常見裂紋分析與預防

■ 馮顯磊，李炎，胡良波，王忠，王孟，謝玲珍

推土機齒輪裂紋形態各異，既有原材料裂紋、鍛造過程中裂紋、熱處理過程裂紋，又有齒輪加工過程裂紋、服役過程中失效裂紋。這些裂紋形態各異，宏觀上很難區分裂紋的產生根源，對于每一種裂紋的分析必須綜合考慮鍛造、原材料、熱處理工藝、加工工藝及服役條件，并結合金相組織、電鏡掃描圖像科學分析，才能正確地找出產生某類型裂紋的根源，從而反饋到生產過程并合理地調整工藝、加工過程。

1. 淬火裂紋

該齒輪材質為S48C，采用中頻感應集中淬火，淬火后齒輪掉齒。圖1金相照片顯示，該裂紋兩側無脫碳層，裂紋周圍無明顯氧化物，裂紋末端呈尖角形；圖2金相淬火組織為中碳馬氏體，級別2級，呈粗大針狀；材料合金計算DI值36～37；晶粒度6級。現場調查，該件生產采用感應加熱功率過高、時間過長是導致產生裂紋的直接原因。但是誘發淬火裂紋的要因往往不止一種，從以上檢查分析材料合金的DI值達到37，過高DI值也是誘發淬火裂紋的又一要因。

分析建議：

（1）對于每批投入工廠生產的齒圈，在不知材料具體成分的情況下，應用光譜儀檢測其化學成分，并進行首件參數試驗。

（2）合理配比材料的合金含量，合金DI值應控制在24～36，并根據現場齒輪的模數、齒厚等參數按現場的實際試驗情況詳細劃分區間段，并采用不同的淬火參數，比如對于DI值在高限的可適當降低加熱功率、減少加熱時間，提高淬火冷卻介質濃度等參數。對于DI值在低限的可適當提高加熱功率、延長加熱時間，降低淬火冷卻介質濃度等參數。

（3）坯料的存放不當易混料，對齒輪材料管理，應嚴格做到材料澆注、鍛造、正火、調質、感應淬火等每道工序都應有相應的檢測報告，并有材料標識卡管理。鍛造后應嚴格做到無帶狀組織、魏氏組織及嚴重的偏析組織；鍛造比≥6；正火后，要保證正火充分，奧氏體晶粒度≥5級。

2. 鍛造折疊

鍛造折疊是齒輪鍛造過程中的一大危害質量問題，如不能及時發現，正確地分析產生根源，將給企業帶來重大的經濟損失。

圖1 裂紋尾端（100×）

圖2 淬火部組織（500×）

就我廠發現的齒輪鍛造折疊問題主要集中在齒輪的輪輻折疊、齒頂折疊、齒根折疊等。如圖3所示，該齒輪經車間調質粗滾齒后，在齒面發現裂紋，剖檢后用金相顯微鏡觀察裂紋的形態及走向，如圖4所示。裂紋的周邊具有明顯的氧化脫碳現象，裂紋末端呈樹杈形（見圖4b），放大裂紋的末端呈圓角形，可判定該齒輪在鍛造過程形成的鍛造折疊。

鍛造折疊的形成有各種原因，一種是由于相鄰金屬充填速度不均形成折疊空腔，高溫下在空腔的邊沿發生氧化脫碳；另一種是由于毛坯表面不清潔，存在毛刺、氧化皮等污物，鍛造時就易包裹在鋼件中， 形成折疊。還有一種常見形式，即在設計鍛造毛坯料時形狀不均，過大或過小，在鍛造過程中極易形成折疊。

分析建議：

（1）鍛造前要將毛坯表面清理干凈，去除毛刺、污物，可拋丸處理。

（2）要合理設計鍛造毛坯的尺寸。

（3）嚴格控制現場操作流程，加強鍛造后的超聲波無損檢測，避免宏觀觀察不到裂紋的質量問題件流入下道工序，造成不必要的損失。

3. 過熱引起淬火裂紋

該齒輪淬火后沿齒頂產生橫裂紋（見圖5a），剖檢裂紋觀察裂紋形態圓鈍，裂紋兩側晶粒粗大，圖5b顯示晶粒較為粗大，且裂紋中填充氧化物夾雜。主要原因是始鍛溫度接近熔點，爐氣中氧化性氣氛進入晶界，造成氧化，晶粒粗大，在后續淬火過程中材料的淬透性也越高，淬火應力越大，加上氧化物夾雜，故產生了淬火裂紋。

分析建議：在鍛造過程中應嚴格控制始鍛溫度與終鍛溫度。

4. 齒輪服役過程中失效裂紋

該齒輪為某機型推土機在惡劣工況下，服役2500h后發生失效斷齒，斷齒宏觀斷口如圖6所示，從宏觀斷口看具有明顯的疲勞源、疲勞區及瞬斷區，為典型的疲勞斷裂。圖7掃面電鏡具有明顯的河流花樣、舌狀花樣，判定該齒輪斷裂為脆性斷裂。從宏觀斷口看，齒輪的齒面具有明顯的點蝕，且集中于疲勞源區，齒輪在嚙合服役時裂紋亞穩擴展過程中斷面處不斷摩擦擠壓，顯示光亮平滑。疲勞區是判斷齒輪疲勞斷裂的重要特征，從該齒輪斷口看，斷口比較光滑且分布有貝紋線，主要是由于齒輪嚙合服役時，偶然過載引起載荷變動，使裂紋前沿線留下的弧狀臺階痕跡。從瞬斷區看，瞬斷區較大，說明材料的韌性較差，脆性大。

圖3

圖4 裂紋（100×）

圖5

圖6 齒輪斷口宏觀照片

從圖8來看，齒輪在斷裂前齒面發生了明顯的點蝕，在齒輪嚙合過程中，由于接觸面最大綜合切應力反復作用，在齒輪的接觸面若材料的抗剪屈服強度較低，則將在該處產生塑性變形。推土機在作業過程中，尤其是在礦山、沼澤等環境中，齒輪嚙合時受到較大的沖擊，由于損傷逐步積累，直到齒輪表面最大綜合切應力超過材料的抗剪強度時（該齒輪材料的抗剪強度在450MPa），在齒輪嚙合的表面形成裂紋，裂紋的主受力側與齒面形成＜45°的傾斜角，如圖9所示。隨著液壓油的壓入，在齒輪再次嚙合時，液壓油被密封在裂紋內，并形成高壓，迫使裂紋延伸擴展，裂紋擴展到一定長度后，裂紋的尖端受到嚙合齒輪的重復摩擦、沖擊造成裂紋尖端應力集中，就會產生二次裂紋，二次裂紋方向與原裂紋方向垂直，最終造成裂紋尖端脫落，形成點蝕坑，如圖10所示。

圖11為斷齒齒塊局部放大圖，可看出齒輪的倒角不規則，并存在毛刺，齒面的加工精度不高，也易造成麻點剝落。圖12為剖檢斷齒后淬硬層分布，從圖上可以看出齒輪的齒部已完全淬透，且淬火后回火溫度較低（160℃），造成齒部脆性較大，沖擊性能較差。

綜上所述，造成推土機終傳動齒輪斷齒的主要原因有：

（1）推土機服役工況惡劣，操作者使用該設備移動超負荷物體時，反復撞擊，造成推土機終傳動齒輪受到超過材料本身抗剪強度的切應力，長期累積會在某一瞬間造成齒輪斷齒失效。

（2）裝配時，兩嚙合齒輪裝配不良，造成在嚙合過程中齒輪偏載，長期使用過程中局部受力不均而失效。

圖7 斷口形貌

圖8 齒輪斷口側面照片

圖9 齒部主受力側齒面裂紋狀況（100×）

圖10 斷齒部形成的麻點剝落狀況（100×）

圖11 斷齒齒塊倒角

（3）齒輪表面加工精度不高，降低了接觸疲勞壽命。

（4）淬火過程中，齒部淬透，而齒部心部沒有良好的綜合力學性能，增加了脆性，而回火又不夠充分，造成齒部沖擊性能較差。

（5）齒部麻點是裂紋的起源點，接觸應力大、摩擦力較大或表面質量較差（燒傷、淬火不足、夾雜物）時，尤其是經過中頻感應淬火后的齒輪，因淬火冷卻介質攪拌時產生泡沫附著于淬火工件表面，淬火時易產生軟點（淬火部表面硬度低點），都易產生麻點。

5. 滲碳齒輪磨削裂紋

該裂紋齒輪為某機型推土機一級滲碳齒輪軸，材質如附表所示。其生產流程為：鍛造→車加工→粗、精滾齒→滲碳→高溫回火→精加工→淬火→低溫回火→磨齒加工→成品，裂紋產生在最后一步磨齒加工工序。

從宏觀照片圖13看出，齒表一側有一條長約50mm的裂紋。通過圖14取樣看出裂紋為距表面2mm；在硬化層與基體交界處垂直于表面有一條10～15mm的裂紋。從微觀照片圖15看出裂紋處表面有一條白亮帶（0.10～0.15mm），通過顯微硬度測量，白亮帶硬度為618HV0.3，白亮帶以里硬度為396HV0.3。從硬度看：表面白亮帶表面為磨削過程的二次淬火組織，裂紋再次產生，并且產生裂紋一側均有白亮帶出現，金相組織判斷分析該齒輪軸滲碳層的殘留奧氏體量達到5級（JB/T 5944—1991），判定此裂紋為磨削淬火裂紋。

圖12 齒輪剖檢淬硬層分布

20CrMnMo滲碳齒輪軸化學成分（質量分數） （%）

圖16齒輪表面磨削裂紋為常見磨削裂紋，裂紋呈龜裂狀，裂紋方向與磨削方向垂直，且裂紋深度較淺在0.3mm左右，該類裂紋多為磨削應力性裂紋。由于滲碳工件在滲碳淬火后回火不夠充分，應力沒有完全釋放，再加上磨削加工時進給量過大，以及磨削熱等因素造成工件在磨削后表面產生拉應力，超過材料抗拉強度而產生裂紋。

圖17為滲碳齒輪沿晶界產生的裂紋，該種裂紋也比較常見，主要是滲碳過程中保溫溫度過高造成晶粒長大，淬火時沿晶界產生裂紋。該類裂紋比較明顯，往往淬火后宏觀檢查時就能發現。

綜上3類滲碳齒輪裂紋，產生的主要原因為殘留奧氏體過多（30%以上）、磨削進給量過大、磨削熱過高、砂輪選用不合理等因素造成。解決此類問題的有效方法為：

（1）滲碳時采用多用滲碳爐，嚴格控制爐內碳勢（根據不同材質的合金系數計算而得，如20CrMnTi最高控制在1.0左右），避免使用老式井式滲碳爐（即使采用也要增加碳勢自動控制系統）。

（2）降低磨削時的進給量（最后一步工序精磨控制在0.03～0.04mm）。

（3）確保磨削冷卻效果，時刻檢查磨削液噴灑位置，避免磨削液與磨削位置滯后現象。

圖13 裂紋齒輪表面

圖14 裂紋顯微照片（50×）

圖15

圖16

（4）合理選擇砂輪，在保證加工精度要求下，盡量選用粒度較大、硬度較軟的砂輪。

（5）滲碳淬火后，回火溫度不宜過低，在保證硬度要求下可適當提高回火溫度，回火時間上確保在4～6h。

（6）滲碳過程中保溫溫度應嚴格控制，溫度過高會造成晶粒長大，增加淬火裂紋的風險，一般多用爐滲碳保溫溫度控制在900～920℃，淬火溫度控制在830～840℃。

圖17 滲碳齒輪晶界裂紋