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郑州高氏电磁感应加热设备有限公司

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    某军工液压泵工作中转速为15000r/min,运行中发生主动轴早期断裂、主动齿轮自根部裂开并和铝壳体卡死。主动齿轮和主动轴是液压泵传动的重要零件,承受较重工作负荷和扭矩作用,长期工作要求工件强度韧性高、高疲劳抗力和耐磨性能和可靠性。主动齿轮和主动轴采用2Cr3WMoV钢制成,热处理为齿轮表面氮碳共渗处理,然后淬火冷却,200-300℃回火后空冷,氮碳共渗层深为0.2-0.5mm, 硬度为56-62HRC,基体中部硬度为35-43HRC。液压泵主动齿轮和主动轴早期失效影响军工生产。


    液压泵壳体为铝合金件,主动齿轮由主动轴通过销键连接带动。检查齿轮腔发现,主动齿轮和铝合金壳体卡死,一齿顶尖嵌入壳内探约0.6mm,并有多齿刮伤壳壁。齿轮裂纹自根部裂开,裂纹穿过键槽尖角处延伸呈贯穿状。断口分析发现,主轴断裂处出现严重扭曲变形,_断面细而光滑,呈灰白色,断口附近呈塑性变形形貌;断裂源在三角形断面的三个角上,为过载扭转类断裂。主动齿轮裂纹自上端面垂直贯穿下端面,侧方向由齿根至键槽垂直角处贯通开裂;对主动齿轮进行扫描电镜微观分析发现,裂纹源为齿根表面同一直线的多源裂纹,并向工件内部延伸;氮碳共渗层扫描分析表明,断口为沿晶断口形貌;裂纹沿晶界向基体延伸,晶粒附近发现有二次显微裂纹;晶界上碳化物聚集,呈网状、半网状围绕晶粒,这种组织增加了晶界脆性,齿轮断口系脆性断裂。金相观察发现,主动齿轮表层白亮组织为淬火马氏体、自回火马氏体及残留奥氏体;心部为铁素体及低碳马氏体。自回火马氏体呈针状分布在表层及基体中,这种组织是由于共渗后未回火或回火不足引起的,针状马氏体增加了工件的内应力和脆性,使其韧性下降。


    分析认为,主动齿轮淬火马氏体针易形成裂纹源,降低了工件材料的强度、塑性和韧性;残留奥氏体和马氏体共存,产生组织应力,在齿根、键槽角等应力集中区域易产生细小裂纹;齿轮氮碳共渗后空冷淬火,晶界易形成网状碳化物组织。齿轮运转中受到外加载荷,首先在应力集中最大的齿根处萌生裂纹,并沿晶界扩展,最终使工件贯穿断裂。齿轮开裂后转动受阻,并和壳体卡死;此时主动轴在动力下仍继续高速运转,使主动轴与齿轮连接处受压变形,主动轴受到过载扭转力矩发生扭断。


    针对齿轮和主动轴断裂失效事故进行了工艺改进试验。试验发现,采用高频加热设备进行-70℃x30min冷处理,随后260℃x2h回火处理,工件中残留奥氏体完全消除,组织呈回火马氏体。经检查,采用上工艺处理后,残留奥氏体等级为1级,工件共渗层硬度为59-60HRC,中心硬度为40-41HRC,符合技术指标要求。上述处理工件经生产运转试验考核,全部合格,经检查未发现裂纹。


    分析认为,常温冷却淬火中,主动齿轮材料仍有部分奥氏体来不及转变为马氏体,成为残留奥氏体;在-70℃冷处理时,这部分残留奥氏体也将转变为马氏体;随后进行260℃回火处理,转变为回火马氏体,得到正常组织,使组织应力降低,工件的塑性、韧性和硬度相应改善和提高,提高了齿轮强度和可靠性。


    采用高频加热设备改进齿轮与主动轴的工艺处理,产品质量符合技术标准要求,未发现裂纹和运行故障,生产运行稳定良好。