42CrMo4齿轮圈裂纹分析

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【摘 要】材质为42crmo4的齿轮圈在热处理之后在各个齿轮齿尖与齿轮端面倒角处，有沿齿宽方向的裂纹。为了查明是锻造还是后期中高频淬火以及机加工产生的裂纹：用光电直读光谱仪、光学显微镜及显微硬度计对裂纹出进行了化学成分、宏观以及微观分析。分析结果表明：齿轮圈的化学成分符合相关产品的技术要求，齿轮圈产生裂纹是由于中高频淬火工艺不当产生淬硬层以及加工的表面粗糙度较粗糙是造成裂纹出现的主要因素。

【关键词】齿轮圈 淬硬层 中高频淬火 粗糙度

某锻造厂生产的大型环锻圈，主要用加工成石油行业的大型齿轮圈。其材质：42CrMo4，规格：￠1890×￠1600×168；其锻造热处理工艺：淬火880～840℃，回火580～620℃，锻造热处理完毕后客户在进行中高频感应淬火及机加工后发现在各个齿轮齿尖与齿轮端面倒角处，有沿齿宽方向的裂纹，客户投诉给单位带来了严重的负面影响。为了探索螺裂纹原因，用光电直读光谱仪、光学显微镜及显微硬度计对裂纹出进行了化学成分、宏观以及微观等分析。

1 实验过程与结果

1.1齿轮化学成分分析

其材质：42CrMo4，执行客标，齿轮化学成分是通过美国XXX型光电直读光谱仪进行光谱分析的，结果见表1，观察表1知产生裂纹齿轮的化学成分符合客标要求。

表1 断裂螺栓化学成分分析结果（wB）%

元素 C Si Mn P S Cr Mo

标准值 Min 0.35 -- 0.60 -- -- 0.90 0.15

Max 0.45 0.40 0.90 0.025 0.035 1.20 0.30

测量值 0.41 0.23 0.77 0.011 0.003 1.15 0.207

1.2宏观分析

齿轮圈宏观形貌如图1所示，在各个齿轮齿尖与齿轮端面倒角处，有沿齿宽方向的裂纹，图2所示， 从齿尖表面宏观形貌观察，发现加工的表面粗糙度较粗糙（图3）以及从齿尖横截面形貌观察，发现表面淬火不均匀（图4），这些是造成裂纹出现的主要因素。

图1、齿轮圈宏观形貌 图2、齿轮圈裂纹形貌 图3、齿尖表面形貌

图4、齿尖表面淬火情况 图5、齿轮圈取样部位 图6、裂纹处非金属夹杂物 100X

1.3微观分析

从齿轮圈齿尖处制取样品，进行金相检验、硬度性能试验，位置如图5所示。

1.3.1裂纹处与非裂纹处非金属夹杂物

非金属夹杂物分析结果：裂纹处非金属夹杂物（图6）：粗系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5，DS0；细系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5；裂纹处非金属夹杂物（图7）：粗系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5，DS0：细系：A0 ， B0 ， C0 ， D0.5。从（图6）可知裂纹刚健有力，裂纹端部呈锐角，根据非金属夹杂物金相分析可知，裂纹处及其他区域非金属夹杂物有夹杂严重现象，所以裂纹的产生不是由于原材料中含有大量的非金属夹杂物而产生的。

图7、无裂纹处非金属夹杂物100X 图8、裂纹处组织 500X 图9、齿尖表面组织100X

1.3.2裂纹处脱碳层

脱碳层分析结果如（图8、9）：裂纹两侧无脱碳，齿尖表面无脱碳；由于裂纹两侧无脱碳现象，可判断该裂纹不是在锻造的时候产生的。

1.3.3齿轮表面显微组织和显微硬度

齿尖表面：距齿尖表面0.2mm内有多条细小裂纹并有回火马氏体存在，所以在齿尖表面有淬硬层见（图10、11）；换一个视场看显微组织发现组织为：回火索氏体在这个视场上的齿尖表面又无淬硬层（图12、13）。同时在有淬硬层和无淬硬层上打显微硬度（HV1）结果见表2。分析结果：齿尖区域组织、硬度不均匀，有些区域未淬硬（组织为回火索氏体），有些区域已淬硬（组织为回火马氏体），局部淬火在正常的工艺和区域可以达到表面强化和获得良好的表面压应力的目的，但在硬化层里面会产生组织差异应力，淬硬区和不合理的淬硬层，可以引起基体内部或局部表面的淬火开裂[1]，说明表面淬火不均匀，中高频感应淬火工艺不稳定。

表2 淬硬层和非淬硬层显微硬度（HV1）

淬硬层显微硬度（HV1） 非淬硬层显微硬度（HV1）

613 607 319 313

图10、齿尖表面组织 100X 图11、齿尖表面组织500X

图12、齿尖表面组织 500X 图13、距表面10mm处组织500X

2 改进措施

针对上述情况，采取了以下2项改进措施：（1）提高机加工表面的粗糙度，有效防止机加工产生的裂纹；（2）制定合理的中高频淬火工艺、有效的控制感应淬火圈的温度均匀性、并及时回火处理。

3 结语

42CrMo4经感应表面淬火以及回火后，显微组织从表面到中心均分为淬硬层、过渡区和基体。淬硬层为回火马氏体，过渡区为回火马氏体与回火索氏体的混合组织，基体为回火索氏体。而齿尖区域组织、硬度不均匀，有些区域未淬硬（组织为回火索氏体），有些区域已淬硬（组织为回火马氏体），说明表面淬火不均匀以及机加工太粗糙。这些因素是产生上述裂纹的主要原因。

参考文献：

[1]孙盛玉.《热处理裂纹讲座》.《理化检验》，92.6-94.1.

[2]机械工程手册（第三卷）[M].北京：机械工业出版社，1982.

[3]史美堂.金属材料及热处理[M].上海：上海科学技术版社，1980.

[4]邢雷，李峰，高艳丽.40Mn钢的感应加热表面淬火的研究[J].一重技术，2003，（4）：28-29.

[5]李元洪，刘百宣，刘华等.42CrMo转向器齿轮冷锻及热处理工艺的试验研究[J].热加工工艺，2010，39（1）：92-93.