高為國，王高升，李東鋒

（湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭411101）

1 問題的提出

45鋼是常用于制造傳動齒輪的一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強度、一定的塑性和韌性，切削加工性能良好，采用調(diào)質(zhì)處理后可獲得較好的綜合力學(xué)性能能.然而，在實際生產(chǎn)過程中，由于各種因素的影響，使得45鋼零件經(jīng)淬火后，容易產(chǎn)生不同程度的淬火裂紋［1］，而且不易控制，造成廢品率提高，某45鋼傳動齒輪在淬火時即出現(xiàn)了這種現(xiàn)象，如圖1所示.

圖1 某傳動齒輪的淬火裂紋

在對45鋼齒輪件的淬火裂紋進行統(tǒng)計分析和試驗研究時發(fā)現(xiàn)，常出現(xiàn)的淬火裂紋主要有三種類型（如圖2所示）：①縱向裂紋：所形成的裂紋呈軸向分布，形狀細而長；②橫向裂紋：所形成的裂紋一般呈現(xiàn)垂直于軸向分布；③弧裂：所形成的裂紋一般分布在齒輪或試樣的某一局部表面上，呈現(xiàn)不封閉的弧形.

圖2 試樣的淬火裂紋

在對45鋼淬火開裂齒輪進行裂紋統(tǒng)計分析，以及在隨后進行的取樣試驗研究中均出現(xiàn)了不同類型、不同程度的開裂現(xiàn)象，而且出現(xiàn)的頻率較高，裂紋的基本形式比較一致.通過現(xiàn)場觀察和認真分析，排除了加熱設(shè)備、冷卻介質(zhì)、操作過程等外部因素的影響，主要從零件的材質(zhì)、顯微組織、熱處理工藝等方面進行深入、細致地試驗研究，找出齒輪件淬火裂紋形成的原因、裂紋的擴展規(guī)律以及解決問題的有效途徑.

2 試驗研究方法與步驟

①取樣：在齒輪件的裂紋處和完好處分別進行取樣，并進行材質(zhì)分析和原始組織分析，以確認所用材料的正確性和原始組織的均勻性.

②組織分析：對裂紋處樣品進行顯微組織分析，找出裂紋產(chǎn)生的主要原因和裂紋擴展的基本規(guī)律，并采取切實可行的工藝方法進行試驗研究.

③針對45鋼齒輪淬火裂紋產(chǎn)生的原因及其裂紋擴展規(guī)律，找出解決問題的工藝方法，主要是從45鋼齒輪熱加工和熱處理工藝上加以改進［2］，以減輕或避免淬火裂紋的出現(xiàn).

④使用的主要儀器設(shè)備：P－2型金相試樣拋光機，拋盤直徑為200mm，拋盤轉(zhuǎn)速為1400r／min，電動機為0.18kW，頻率為50Hz；箱型電阻加熱爐SRJX－3－9，使用溫度950℃；金相綜合分析系統(tǒng)GX60－DS，配備有高倍、中倍、低倍三個高質(zhì)量物鏡和數(shù)碼視頻采集與處理硬件，并配套有專用的微機和金相分析專業(yè)軟件.

3 試驗研究結(jié)果與分析

針對45齒輪的性能要求、熱處理工藝和顯微組織特征進行細致的分析和研究，主要是研究45鋼齒輪的材質(zhì)、原始組織、裂紋的形成原因及其擴展規(guī)律等.

3.1 材質(zhì)分析

采用化學(xué)分析法，測定了45鋼齒輪的主要化學(xué)成分，并且分析了45鋼齒輪材料的材質(zhì)以及可能出現(xiàn)的各種影響因素.45鋼齒輪的主要化學(xué)成分如表1所示.

表1 45鋼齒輪的主要化學(xué)成分

由表1中的測定數(shù)據(jù)可以看出，該45鋼齒輪的材質(zhì)符合國家鋼材的成分標(biāo)準要求［3］，特別是有害雜質(zhì)元素硫和磷的含量沒有超標(biāo)，在正常使用狀態(tài)下不會造成材料的脆性增加.由此可見，該45鋼齒輪產(chǎn)生開裂不是由材質(zhì)原因引起的，至少材料問題不是引起齒輪開裂的主要因素.

為了進一步確認該45鋼材料的材質(zhì)問題，又從開裂45鋼齒輪的完好處取樣，并選取正常的熱處理工藝參數(shù)對其進行完全退火處理.經(jīng)過正常的完全退火處理后，進行金相顯微組織分析，得到的退火顯微組織如圖3所示.

圖3 45鋼齒輪退火組織（500X）

由圖3可見，金相顯微組織中含有鐵素體和珠光體兩種組織類型，通過對顯微組織中組織組成物（鐵素體和珠光體）面積分數(shù)的計算驗證，圖中呈亮色的鐵素體組織占55%、呈暗色的珠光體組織占45%，顯微組織中組織組成物的相對量符合45鋼的組織特點，說明該產(chǎn)品所用45鋼材的退火組織無異常表現(xiàn)，顯微組織細小、均勻，這也說明該45鋼的材質(zhì)正常.

3.2 顯微組織分析

（1）裂紋尖端附近的組織特征分析

某裂紋的尖端如圖4所示，圖中裂紋周邊處的晶界清晰可見，并呈現(xiàn)粗細不均、斷續(xù)分布的特征，說明裂紋存在的區(qū)域晶界上存在有較多的夾雜物，且呈不均勻分布；裂紋的走向蜿蜒曲折，許多轉(zhuǎn)彎處有明顯的晶界特點，說明裂紋的擴展有明顯的沿晶特征，在晶界上存在有脆性相；在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)裂紋周邊的晶粒相對比較粗大，且沿晶界有脆性相脫落的痕跡，說明在該45鋼中存在晶粒大小的不均勻性，在晶界上存在有脆性的夾雜物.

圖4 淬火裂紋始端顯微組織（125X）

（2）晶界附近的顯微組織分析

晶界附近的顯微組織如圖5所示.

圖5 淬火裂紋附近的顯微組織（500X）

從圖5（a）中可以看到，遠離裂紋處顯微組織比較均勻，而在在淬火裂紋的周圍形成了集中分布的、較為粗大的針狀馬氏體組織，雖然其中包含有部分的塑性和韌性稍好的板條狀馬氏體，但脆性較大的針片狀馬氏體組織占主流，出現(xiàn)了不同形狀馬氏體組織的不均勻分布，在局部范圍內(nèi)形成了組織脆性區(qū)，組織內(nèi)應(yīng)力較大.而在圖5（b）中，白色組織為偏析的、脆性碳化物或夾雜物組織，形成了內(nèi)應(yīng)力較大的脆性區(qū)，促使了淬火裂紋的產(chǎn)生與擴展.

由此可見，該45鋼中存在的非金屬夾雜物數(shù)量稍多，破壞了基體組織的連續(xù)性、均勻性，造成了局部內(nèi)應(yīng)力增加；同時，在組織上存在一定程度的不均勻性，組織應(yīng)力較大，因而形成了淬火裂紋［4］.

（3）淬火裂紋的擴展

如圖6（a）所示，在裂紋周邊有明顯的亮白色區(qū)域，同時存在有非金屬夾雜物，結(jié)合圖6（b）可以看出，在裂紋附近有明顯的針片狀馬氏體存在，說明裂紋的擴展與非金屬夾雜物的不均勻分布以及針片狀馬氏體的偏聚分布有關(guān).同時分布于亮白色組織中的裂紋數(shù)量較多，而且裂紋多在這些地方形成，并沿非金屬夾雜物和針片狀馬氏體不均勻分布的區(qū)域擴展延伸，說明由于非金屬夾雜物和針片狀馬氏體組織的不均勻分布，使得齒輪經(jīng)淬火后的內(nèi)應(yīng)力處于不平衡狀態(tài)，導(dǎo)致了淬火裂紋的形成與擴展.

圖6 淬火裂紋周邊組織部均勻區(qū)（500X）

針片狀馬氏體的尺寸取決于原始奧氏體晶粒的大小，奧氏體晶粒越大，則馬氏體片越粗大.馬氏體組織的粗大容易引起組織應(yīng)力不均勻，從而容易形成裂紋.而奧氏體晶粒形成以后，其大小主要取決于加熱或保溫過程中奧氏體晶粒的長大過程，加熱溫度越高，保溫時間越長，則奧氏體晶粒越粗大.

由圖6可以看出，顯微裂紋并不是沿直線方向進行擴展，從表面上看，其擴展路徑幾乎毫無規(guī)律，但事實上，在裂紋的轉(zhuǎn)折處可以明顯發(fā)現(xiàn)有粗大的顯微組織存在，說明裂紋是沿粗大組織的邊緣進行擴展的.

4 控制45鋼齒輪淬火開裂的措施

（1）提高鍛造質(zhì)量

由45鋼齒輪的顯微組織分析可知，在使用狀態(tài)下組織中含有不均勻分布的脆性夾雜物，是導(dǎo)致齒輪形成淬火裂紋的主要原因之一，同時分布在晶界上的脆性夾雜物也是裂紋擴展的主要途徑.為了減輕45鋼齒輪的淬火開裂現(xiàn)象，應(yīng)從鍛造工藝上加以改進，通過合適的鍛造工藝和方法，使脆性的夾雜物進一步碎化，并呈均勻分布.

（2）采用亞溫淬火工藝

從45鋼齒輪淬火內(nèi)應(yīng)力分析可知，淬火裂紋的形成是因為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的疊加超過材料抗拉強度引起的，因而，減少45鋼淬火后的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力是改進45鋼齒輪淬火裂紋產(chǎn)生的有效措施之一.根據(jù)目前對45鋼淬火裂紋改進措施的研究發(fā)現(xiàn)，45鋼齒輪在740～800℃范圍內(nèi)進行亞溫淬火處理［5］，可以得到較均勻的淬火組織（如圖7所示），其強度和硬度會隨著淬火溫度的升高而相應(yīng)提高，有利于降低熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，可以避免或減少淬火裂紋的產(chǎn)生.

圖7 45鋼齒輪760℃亞溫淬火組織（500X）

（3）選擇合適的淬火方法和冷卻介質(zhì)

45鋼淬透性低，Ms點約為330℃，馬氏體轉(zhuǎn)變快，易產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，當(dāng)淬火介質(zhì)為水時，難以達到理想的冷卻條件.所以，要減輕或避免45鋼淬火裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)該選擇合適的淬火方法和淬火介質(zhì).例如，可以采用分級淬火法，首先在溫度略高于45鋼的Ms點的鹽浴或堿浴爐中等溫，當(dāng)工件內(nèi)外溫度均勻后，再從浴爐中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉(zhuǎn)變，以減小熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，減輕或防止齒輪的淬火開裂傾向.

5 結(jié) 論

（1）45鋼齒輪組織中存在的粗大針片狀馬氏體和不均勻分布的脆性夾雜物，會造成熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的增加，是形成淬火裂紋的主要原因，同時也是淬火裂紋擴展的基本途徑.

（2）通過提高鍛造質(zhì)量、采用合適的淬火工藝和淬火方法等措施，可以有效地改善夾雜物和顯微組織的不均勻性，減小淬火時的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，減輕或避免淬火裂紋的出現(xiàn).

［1］ 李鵬志，齊紅梅.45鋼軸類零件淬火裂紋形成原因及預(yù)防措施［J］.河北工業(yè)科技，2008，25（3）：153－155.

［2］ 劉 東.45鋼亞溫淬火工藝可減少淬火開裂傾向［J］.煤礦機械，2009，30（5）：108－109.

［3］ 高為國.機械工程材料［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2011.

［4］ 王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［5］ 邊晉榮，趙 瑞，等.45鋼熱處理淬火裂紋控制［J］.機械管理開發(fā)，2007（4）：105－106.