通過對某設備45#鋼齒輪斷裂的深入分析，研究了45#鋼材料的熱處理特性和原工藝存在的問題，對斷裂齒輪進行了硬度和顯微組織分析，找到了齒輪斷裂的原因。針對該型齒輪特點，改進齒輪加工工藝，增加了齒形粗加工工序，改善了齒輪熱處理性能，較好地解決了齒輪加工出現的問題，保證了產品加工質量，為該型齒輪加工提供了參考。
齒輪作為傳動系統的組成部分，在機械行業有著廣泛的應用。４５鋼來源廣泛，具有較高的強度和較好的切削加工性，成為加工齒輪的主要原材料之一［１］。某設備４５鋼齒輪在使用過程中出現斷裂現象，其形態為沿齒長縱向方向整齒斷裂，斷裂面兩端部分呈金屬光澤，紋路清晰，中間部分已氧化，無金屬光澤，早已出現裂紋。本文以該４５鋼齒輪斷裂為研究對象，從工藝、材料、熱處理等方面分析原因，提出改進措施，保證產品質量。
１ 齒輪零件簡介
某設備４５鋼齒輪結構如圖１所示，其中熱處理要求：調質處理２２０～２５０ ＨＢＷ，齒 面淬火５８～６３ＨＲＣ，其他主要基本參數見表１。
2 齒輪加工工藝分析
該齒輪的生產流程［２］主要為：毛坯加工（棒料鋸割）、粗加工（粗車外形及內孔）、中間熱處理（退火、正火、調質）、精加工（精車外形及內孔、割鍵槽）、齒形加工（插齒、滾齒等）、最終熱處理（表面淬火）和表面處理（磷化）等。由于該齒輪要求一定的綜合力學性能，故采用調質工藝作為中間熱處理，為后續表面淬火等最終熱處理作組織準備。最終熱處理采用高頻表面淬火，熱處理后不再進行精加工。
由于４５鋼淬透性較差，鑒于該齒輪的尺寸、結構和加工工藝，該齒輪在做調質處理時，存在調質層深度未能達到節圓以下部分的可能性，而齒輪在感應加熱淬火時在齒根部分存在熱影響區，如該區域未能產生調質組織，則會影響該區域的力學性能，使該區域的彎曲疲勞強度降低，存在產生裂紋的隱患。
3 斷裂原因分析
由于４５鋼具有較強的淬火開裂敏感性［３－６］，淬火時會引起齒輪應力的急劇變化，齒輪淬火經過加熱、保溫和冷卻３個過程，期間會發生熱脹冷縮體積變化和金相組織變化，從而產生相應的熱應力和組織應力。齒輪表面淬火時，會受到熱應力與組織應力的同時作用，當疊加的應力增大至超過齒輪抗拉強度時，就會產生裂紋。影響齒輪熱應力、組織應力的主要因素如下。
１）加熱速度。加熱速度太快，導致受熱不均勻，易產生較大的熱應力。
２）加熱溫度。４５鋼加熱溫度一般選擇在Ａｃ３以上３０～５０℃，溫度太低，組織轉變不徹底，達不到熱處理要求，太高易造成過熱，使奧氏體組織粗大，降低鋼的極限強度。
對該齒輪進行齒面硬度分析，齒根處硬度梯度曲線如圖２所示。
檢測結果表明，齒輪是由于齒根處強度不夠，裂紋從齒根附近開始產生，然后向齒頂處擴展，最后導致整齒斷裂。
再對該齒輪齒面顯微組織進行分析，金相組織照片如圖３和圖４所示。
分析可得，齒根處顯微組織為小塊鐵素體＋珠光體，這是４５鋼在正火狀態下的原始組織，由于４５鋼的淬透性差，并且截面尺寸較大，齒根組織并沒有在調質（淬火＋高溫回火）時如期轉化為回火索氏體為主的顯微組織，后期高頻淬火時，加熱速度極快，奧氏體化用的時間短，淬火后遺留鐵素體，導致組織不合格，硬度降低。而在其他部位，奧氏體晶粒迅速長大，淬火后獲得了較細馬氏體，這種組織使鋼的脆性增大，內應力較大。其體積膨脹，而齒輪的感應淬火熱影響區在齒根附近，該區域受到拉應力并在齒根部分形成應力集中，并且加熱過快、溫度過高、受熱不均勻，存在未溶解鐵素體等因素造成局部區域的拉應力大于材料的局部抗拉強度，最終在該區域產生裂紋并延伸。另外４５鋼淬火溫度在Ａｃ３（７８０℃）＋（３０～５０ ℃），淬火后硬度能達到５６～５９ＨＲＣ，偏高的硬度容易引起淬火裂紋，增加了齒輪產生裂紋的隱患。
４ 齒輪加工工藝改進
上述分析試驗表明，產生裂紋的直接原因就是淬火過程中組織應力超過了齒輪局部的材料抗拉強度。解決的方法主要有兩方面：一是降低組織應力，二是提高熱影響區材料抗拉強度，或者兩方面同時采取措施。
針對該型齒輪采取如下措施：１）齒形粗加工完畢后，再進行調質處理，以增強齒根部材料的抗拉強度；２）將表面淬火硬度降低到４５～５５ＨＲＣ，以降低淬火時的組織應力。
改進后的工藝流程為：毛坯加工（棒料鋸割）、粗加工（粗車外形及內孔）、齒形初加工（留余量粗加工齒）、中間熱處理（退火、正火、調質）、精加工（精車外形及內孔、割鍵槽）、齒形精加工（插齒、滾齒等）、最終熱處理（表面淬火）和表面處理（磷化）等。
按改進后的加工工藝加工完成之后，對該齒進行顯微組織分析，金相組織照片如圖５和圖６所示。
試件經金相組織分析可得，齒形表面部位為馬氏體組織，過渡區馬氏體由外向內急劇減少，主要組織為回火索氏體，心部過渡到原始組織珠光體＋鐵素體。磁粉探傷檢測結果沒有裂紋產生，達到了預期效果。
５ 結語
綜上所述，通過對某設備４５鋼齒輪斷裂的深入分析，研究了４５鋼材料的熱處理特性和原工藝存在的問題，對斷裂齒輪進行硬度和顯微組織分析，找到了齒輪斷裂的原因。針對該型齒輪特點，改進齒輪加工工藝，增加了齒形粗加工工序，改善了齒輪熱處理性能，較好地解決了齒輪加工出現的問題，保證了產品加工質量，為同類工件的加工提供了解決思路。
參考文獻
［１］高為國，王高升，李東鋒．４５鋼齒輪淬火裂紋的形成及擴展［Ｊ］．湖南工程學院學報：自 然 科 學 版，２０１２，２２（４）：１３－１６．
［２］王少俊．機械制造工藝設計手冊［Ｍ］．北 京：機 械 工 業 出版社，１９９４．
［３］李鵬志，齊紅梅．４５號鋼軸類零件淬火裂紋形成原因及預防措施［Ｊ］．河北工業科技，２００８（３）：１５３－１５５．
［４］王廣生，等．金屬熱處理缺陷分析及案例［Ｍ］．北 京：機械工業出版社，１９９７．
［５］宋濤，顧 軍．熱 處 理 技 術［Ｍ］．北 京：化 學 工 業 出 版 社，２００３．
［６］雷廷權，傅家 騏．熱處理工藝方法３００種［Ｍ］．北 京：機械工業出版社，１９９３.
文章來源：《新技術新工藝》雜志
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