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感應熱處理工藝因具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、節(jié)省能源、熱處理變形相對小的特點，其在齒輪行業(yè)得到了廣泛的應用。目前大型齒圈采用的熱處理硬化手段有滲碳淬火、調(diào)質(zhì)、氮化、感應淬火等，由于大型齒圈滲碳淬火變形控制難度較大，調(diào)質(zhì)的齒部硬度相對不高，氮化則成本高昂，所以感應熱處理在大型薄壁齒圈領域得到了較快發(fā)展。

1. 裂紋說明

某型齒圈齒頂直徑2037mm，齒寬82mm，模數(shù)6，材料為40Cr，采用鋼錠鍛造方式，制造路線：鍛造→鍛后熱處理→粗車→調(diào)質(zhì)→精車一→滾齒→感應淬火→無損檢測→精車二→平面磨→磨齒→成品。感應淬火前進行整體調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)硬度要求250～290HBW，后開齒，再進行中頻感應淬火，硬度要求48～52HRC。感應淬火后在數(shù)個齒根的齒棱角部位發(fā)現(xiàn)沿齒根方向的裂紋，齒圈結構如圖1所示，裂紋形貌如圖2所示。

2. 熱處理質(zhì)量

（1）調(diào)質(zhì)質(zhì)量

對裂紋輪齒解剖，采用線切割將整個齒寬方向的輪齒切下，檢測輪齒基體硬度260HBW，輪齒表面硬度在280HBW，調(diào)質(zhì)硬度符合技術要求。輪齒拋光后采用4%硝酸酒精腐蝕，基體金相組織以回火索氏體為主，加上呈角塊狀分布的鐵素體（見圖3），基體晶粒度6.5級。調(diào)質(zhì)組織較差，基體存在較多鐵素體組織對齒圈的彎曲疲勞性能有負面影響。

圖3 輪齒基體調(diào)質(zhì)組織

（2）感應淬火質(zhì)量

感應淬火后，淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)由于其組織不同，磨面浸蝕后將呈現(xiàn)色差。對裂紋輪齒進行理化檢測，圖4為裂紋輪齒端面浸蝕后感應淬火硬化層區(qū)域，其節(jié)圓處硬化層深度布滿整個齒厚，齒根的硬化層深度為1.5mm，感應淬火表面硬度52～53HRC。如圖5所示，將裂紋輪齒的齒寬中部橫切面切開，浸蝕后節(jié)圓處硬化層深為4mm，齒根處硬化層深為0，齒部表面硬度51～52HRC。如圖6所示，將裂紋輪齒縱剖，可以清晰呈現(xiàn)齒根的淬硬層分布，切面浸蝕后，其淬硬的區(qū)域很小，最大深度為1.5mm，最大長度為7mm。

圖4 裂紋輪齒端面淬硬層

圖5 裂紋輪齒的齒寬中部橫切面淬硬層

圖6 沿齒根縱向切面淬硬層

3. 裂紋分析

齒圈感應淬火后，數(shù)個齒根發(fā)現(xiàn)裂紋，對其中一條裂紋進行理化分析，此裂紋沿齒根長5mm，在齒根處深1.3mm，且裂紋完全處于圖4、圖6所示的齒棱角部位的齒根淬硬層內(nèi)。圖7為拋光下的裂紋深度照片，拋光態(tài)未見裂紋周圍存在非金屬夾雜物缺陷。

圖7 輪齒端面裂紋深度形貌

經(jīng)金相研究發(fā)現(xiàn)裂紋有如下特征：

（1）裂紋完全在感應淬火的齒根淬硬區(qū)中，裂紋源在齒根端面棱角處，如圖4及6所示。

（2）裂紋縫中以及裂紋兩側，無夾雜物和其它缺陷存在，裂紋兩側無氧化色及脫碳，說明裂紋產(chǎn)生不是起源于原材料缺陷，如圖8所示。

（3）裂紋微觀曲折但宏觀剛挺，裂紋頂端尖銳，裂紋屬沿晶開裂，裂紋兩側組織與齒部淬硬層同為細針馬氏體，按照JB/T9204—2007標準評級為5級馬氏體，如圖8所示。

上述裂紋特征，均為淬火裂紋的特征，裂紋為感應淬火冷卻中產(chǎn)生的淬火裂紋。

（a）裂紋起始端

（b）裂紋頂端

圖8 裂紋微觀形貌

此薄壁齒圈感應淬火過程為表面溫度達到奧氏體化溫度時轉變成奧氏體，在噴射水溶性介質(zhì)冷卻過程中，奧氏體轉變成馬氏體，體積增大會產(chǎn)生組織應力，其結果是表層首先達到Ms點率先形成馬氏體，表層馬氏體膨脹不受限制，隨后次表面達到Ms點時，新生馬氏體膨脹受到表層馬氏體限制使表面產(chǎn)生張開內(nèi)應力。若此內(nèi)應力大于表層淬火馬氏體強度時，就出現(xiàn)裂紋。在齒根端面棱角處，加熱溫度會比其它區(qū)域高，冷卻時的組織轉變烈度大，奧氏體轉變成馬氏體會更快，其產(chǎn)生的組織應力會比其它地方高，再加上棱角的應力集中，因此在齒根的齒棱角產(chǎn)生裂紋。

數(shù)個齒根產(chǎn)生裂紋而非所有齒根產(chǎn)生，原因在于薄壁齒圈變形不確定性，感應淬火加熱時，組織及熱應力使薄壁齒圈產(chǎn)生翹曲等變形，導致感應器與輪齒的距離發(fā)生偏離，感應器偏離產(chǎn)生的淬火烈度差異在齒棱部位齒根處特別明顯，將在應力最集中的齒棱角的齒根處出現(xiàn)裂紋。感應淬火設備電源的穩(wěn)定性也是淬火質(zhì)量均勻性、穩(wěn)定性、防止局部出現(xiàn)淬火裂紋的重要環(huán)節(jié)。

改進措施：淬火冷卻液由水溶性介質(zhì)改為油介質(zhì)將降低淬火烈度，感應加熱溫度降低以降低淬透性而減小淬火應力，采用精度高的感應淬火機床將減小易變形齒圈感應淬火開裂的可能性。

4.結語

（1）小模數(shù)大型薄壁齒圈裂紋為感應淬火裂紋。

（2）大型薄壁齒圈易變形特征、淬火烈度大，以及齒棱角應力集中，在齒根的齒棱位置易產(chǎn)生淬火裂紋。

作者：呂藍冰，顧曉明

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