42CrMo船用柴油機傳動齒輪中頻感應淬火失效分析

曹昌懷，劉修艷，陳文偉，盧建

我公司為某企業配套中頻感應淬火處理的船用柴油機傳動齒輪，在使用中經常發現輪齒斷裂失效的現象，嚴重影響柴油機的安全。為尋求斷裂產生的原因及解決的方法，對其進行分析。

傳動齒輪的材料為42CrMo鋼，生產工藝流程為：鍛造成形→粗車→調質→精車→滾齒→中頻感應淬火→磨齒→無損檢測→成品。

1. 檢驗與結果

（1）宏觀形貌分析 斷裂發生在傳動齒輪的輪齒部位，輪齒斷口形貌如圖1所示，斷口可見明顯的疲勞貝紋線痕跡，是疲勞斷裂的特征。疲勞源起始于輪齒兩側的根部過渡區，且有明顯的“臺階”痕跡，說明該處有應力集中現象；齒輪運轉過程中承受載荷作用，由輪齒兩側根部過渡區的疲勞源向內沿不同平面擴展，相遇后貫通，形成臺階狀的最后瞬斷區，輪齒斷裂。整個斷口的貝紋線較細密，疲勞擴展區占大部分區域，應是應力集中條件下的低應力高周疲勞斷裂。

同時觀察發現，齒根區域較其他區域顏色深，表面也較粗糙（見圖2），說明存在機加工不到位的現象。

（2）化學成分分析 在斷口附近取樣進行化學成分分析，結果列于表1。該傳動齒輪的化學成分符合GB/T3077—1999《合金結構鋼》的標準要求。

（3）非金屬夾雜物的檢驗 對輪齒進行線切割取樣，試樣經磨拋后觀察并根據GB/T 10561—2005進行評級，結果為A1.0、B0、C0、D1.0，如圖3所示。非金屬夾雜物符合A+C≤3.0級和B+D≤3.0級的技術協議要求。

表1 傳動齒輪的化學成分（質量分數） （%）

（4）金相檢驗 試樣經磨拋后觀察，齒根深色區域表面起伏，疲勞源區存在一條疲勞裂紋，如圖4所示。試樣再經4%硝酸酒精溶液浸蝕后發現，該齒輪齒根部位未經中頻感應淬火處理，如圖5所示，輪齒黑色區域為感應淬火區，感應淬火區組織為細針狀馬氏體，如圖6所示。齒根疲勞源區表面未經感應淬火處理，金相組織與基體組織一致，為回火索氏體＋少量鐵素體，如圖7、圖8所示。

（5）基體硬度檢驗 經檢測，齒輪基體硬度為255HBW10/3000，滿足技術要求。

2. 分析與討論

鋼中非金屬夾雜物檢測及化學成分的分析結果表明，該齒輪材質正常。金相分析表明，其基體組織正常，說明該齒輪基體調質狀態正常。斷口分析表明，該齒輪應是應力集中條件下的低應力高周疲勞斷裂。疲勞源起始于輪齒兩側的根部，該處是淬火區和非淬火區的過渡區域，該區域由于受到淬火時高溫影響，形成回火軟區，組織軟化，相較于基體組織，其硬度和疲勞強度較低；同時觀察發現該處具有明顯的“臺階”痕跡，說明該處有應力集中現象，齒輪齒根部位本身易形成應力集中現象，加之齒根區域加工較粗糙，加劇了該處的應力集中現象；同時齒根部位未進行中頻感應淬火處理，金相檢測其為回火索氏體＋少量鐵素體組織，疲勞強度較回火馬氏體要低得多。傳動齒輪在運轉傳遞載荷時，齒根承受交變彎曲應力，由于該處應力集中及疲勞強度低，因此在齒根承受的彎曲應力大于該處的疲勞強度時，在該處萌生微裂紋，形成疲勞源，隨著齒輪的不斷運轉，疲勞源逐步擴展，直至出現裂紋、斷裂等現象。

圖4 疲勞源區拋光態形貌 （50×）

圖5 試樣腐蝕后宏觀形貌

圖6 輪齒感應淬火區組織 （500×）

圖7 疲勞源區組織 （100×）

圖8 試樣基體組織 （500×）

3. 結論與建議

通過分析，得出該傳動齒輪的斷裂原因，故此后的生產做了以下改進：

（1）強化機加工工序質量，切實改善齒根部位的粗糙度，減少應力集中的現象。

（2）改進中頻感應淬火工藝，原采用的中頻感應淬火，當時考慮的是齒根部位易發生加熱溫度過高和冷卻過激的現象造成淬火應力集中而開裂，因此特意對齒根部位沒有淬火，造成同基體一樣的回火索氏體組織。故對中頻感應淬火的工藝方式進行改進，在加熱電參數、淬火移動速度、淬火感應器的設計等方面進行改進，對傳動齒輪的齒根部位也進行淬火，以形成回火馬氏體組織，提高該處的疲勞強度。在實際生產中，采用仿形感應器，將感應器的前端噴水孔堵死，并將感應器頂端與齒槽間隙加大，控制在11～16mm之間。在加熱過程中，控制齒根處于亞溫狀態，既沒有過激的冷卻，又完美地解決了淬火裂紋的問題，同時使齒根部位的疲勞強度變大，效果良好。

根據改進后的工藝，此后中頻感應處理的多批次傳動齒輪，再未發生輪齒斷裂失效的現象，證明是有效、可行的。