滲碳齒輪鋼軸類鍛件失效分析及工藝優化

文／李海龍，郭忠昌，黃佳偉·湖州吉凱思檢測服務有限公司

湯敏僧，梁光書·浙江杰德機械科技有限公司

齒輪箱在機械制造中的應用很廣泛，尤其在風力發電機組中經常用到，而且是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現，故也將齒輪箱稱之為增速箱。

高速軸在齒輪箱中起到紐帶作用，承受較大的扭矩及沖擊力，因此軸本身的質量好壞影響著齒輪箱的使用壽命，本文針對某公司生產的高速軸失效情況進行分析，通過高低倍檢測、無損檢測、宏觀斷口分析及成分分析等手段找出影響軸失效的根本原因，從而優化生產過程的工藝執行和控制。

高速軸的技術要求

高速軸的材質為20Cr2Ni2Mo，生產工藝流程為電渣錠→下料→加熱→鍛造→熱處理→機加工→檢驗→發貨。

技術要求

⑴表面硬度要求≤300HBW，單件硬度差≤30HBW。

⑵鍛比≥4。

⑶性能檢測要求：抗拉強度≥1080MPa；屈服強度≥850MPa；延伸率≥11%；斷面收縮率≥35%。

⑷無損檢測UT 齒部單個缺陷當量≤0.8mm；非齒部單個缺陷當量≤1.6mm，不允許有密集缺陷。

⑸晶粒度細于5 級。

⑹夾雜物要求見表1。

表1 夾雜物要求

⑺鋼錠采用電弧爐+精煉+真空脫氣+電渣重熔，化學成分見表2，[H]≤1.5PPm；[O]≤15PPm；[N]=70 ～160PPm。

表2 高速軸的化學成分含量(wt%)

高速軸的生產過程

⑴采用1.5t 鋼錠去除水冒口后下料，單件產品重量670kg，加熱溫度1220℃，保溫3 小時后開始鍛造，鍛造采用兩鐓三拔工藝，鍛比大于7。

⑵鍛后空冷到450℃左右入爐進行熱處理，熱處理加熱溫度930℃，保溫8 小時；在爐臺上風冷到450℃后，再次入爐加熱至710℃，保溫25 小時后爐冷到500℃后出爐空冷。

⑶按照工藝圖紙粗加工，粗加工后進行UT 檢測。

失效分析

此軸類鍛件生產完成后，軸類鍛件在超聲波檢測時發現存在通長的密集型缺陷且缺陷波大于底波，不符合驗收要求。通過UT 定位缺陷位置，對缺陷進行解剖，主要通過低倍、高倍、斷口分析以及原材料氣體含量分析對缺陷性質做出定性判斷。

超聲波檢測

檢測器材及參數：UT 設備型號為USM36，耦合劑為機油，探頭為2.5P20Z，靈敏度為φ2mmFBH。

鍛件超聲波檢測波形顯示見圖1，可看出：對軸類鍛件進行超聲檢測后發現，距鍛件表面50～250mm范圍內存在通長密集缺陷回波且缺陷波大于底波。

圖1 鍛件超聲波檢測波形顯示

滲透探傷檢驗

首先對橫向試塊進行了滲透探傷檢驗，檢驗結果如圖2 所示，試塊上能看到不同長度的細小發紋，呈放射狀或不規則狀排列。

圖2 滲透缺陷形貌

低倍檢驗

解剖試塊在經滲透探傷檢驗后，經熱酸腐蝕后進行低倍檢驗，檢驗結果如圖3 所示。試塊內發現有大量的細小裂紋。

圖3 低倍組織形貌

高倍檢驗

在低倍檢測缺陷處取高倍試樣，磨制縱向剖面按GB/T 10561-2005 對非金屬夾雜物含量進行評級，結果如表3 所示。

表3 非金屬夾雜物等級

經夾雜分析，未見明顯超標夾雜物。經顯微觀察，圖4 和圖5 可看出裂紋形態曲折、連續、端部尖銳，首尾呈一定角度，具有白點裂紋的微觀特征。

圖4 高倍組織形貌1

圖5 高倍組織形貌2

斷口分析

在缺陷處取斷口試樣，如圖6 所示。從試樣斷口觀察，斷口基體上分布銀白色斑點，是典型的白點裂紋。

圖6 斷口形貌

原材料氣體含量分析

在20Cr2Ni2Mo 電渣錠原材料1/4 位置上取氣體試樣，檢測發現H 含量為3.66ppm。H 含量超標，鍛件UT 失效主要原因為白點裂紋。

通過低倍解剖分析、高倍試驗分析、斷口形態分析及原材料氣體含量分析得出的一致結論：此失效為白點引起的。

改善措施

⑴電渣錠在冶煉時，采用惰性氣體保護技術或真空控制技術進行冶煉，控制材料中的氫含量；

⑵將原加熱工藝中的1220℃變更為1250℃進行充分擴散；

⑶合理分配每火次的鍛造比，尤其是最后一火次的鍛比確保大于1.6；

⑷熱處理正火溫度由930℃調整為950℃，風冷到450℃左右直接回爐升溫變更為在450℃左右保溫12 小時后再升溫，回火溫度由710℃調整為720℃，時間由目前的25 小時增加到40 小時。

結論

經過對高速軸鍛件的冶煉及鍛造工藝改進后，內部組織、金相及無損檢測均滿足客戶要求且未再出現內部開裂的缺陷產品，在解決此類問題的過程中，積累了一定的經驗，為后續生產20Cr2Ni2Mo 高速軸鍛件提供了一套可操作且標準化的生產工藝控制流程，有效提高了鍛件的質量經濟性。