裝載機4100柴油機生產廠家
曲軸齒輪感應淬火后齒根開裂原因分析
某大型柴油機42CrMoA鋼曲軸齒輪在中頻感應淬火后數小時內齒根出現裂紋。分析表明，齒根延遲開裂是由于先淬火的主軸頸受到后來輪齒淬火加熱時的熱影響而使齒根產生過大拉應力所致。采取軸頸淬火和磨削后、輪齒淬火前進行240℃x4h去應力退火，在輪齒淬火加熱時對已經淬火的主軸頸進行補充冷卻，以及主軸頸與輪齒側面連接的圓角處不予淬火等措施后，齒根開裂問題得到了解決。
某曲軸齒輪經過中頻淬火和自回火后約6h，發現齒根部位有徑向裂紋。熒光探傷時可見裂紋剛直，長約1～4mm，環形放射狀分布。在12—24h后裂紋明顯增多，嚴重困擾生產。為此，進行了深入分析研究，較好地解決了這一問題。
1概況
(1)曲軸材料為42CrMoA鋼。
(2)工藝流程：鍛造一調質一機加工軸頸并粗磨一軸頸中頻感應淬火一機加工軸頸并精磨一滾剃齒一齒輪中頻感應淬火一機加工一動平衡。
(3)曲軸主軸頸與齒輪相對位置如圖1所示，可以看出齒輪與主軸頸連接緊密。這種結構和上述工藝流程都是導致齒根開裂的潛在因素。
(4)主軸頸淬硬層和齒輪淬硬層技術要求主軸頸和窄齒輪表面硬度均為(53±3)HRC，寬齒輪表面硬度(55±3)HRC，淬硬層深度要求如圖2所示。第1、5主軸頸靠齒輪側圓角淬火是導致齒輪淬火后齒根開裂的主要因素。
2齒根裂紋形態及分析
2.1裂紋的位置和形態從圖lA向觀察，裂紋形狀如圖3所示，裂紋發生在弧面相交的尖角處。
2.2裂紋特點
(1)裂紋發生在齒根，呈徑向放射狀，形態剛直，長度≤4iTlm。
(2)裂紋具有明顯的延遲性，多數在齒輪淬火后6～12h發生，再過若干小時后裂紋明顯增多。
(3)淬火后探傷正常，但是24h后沿過渡尖角單邊車加工掉2mill，會出現放射狀裂紋。
2.3簡要分析
裂紋形成主要發生在先期淬過火的第1、5主軸頸靠齒輪側圓角處。齒輪淬火時，已淬火的軸頸部位受到熱影響，內應力再釋放導致齒根表面受到拉應力。當拉應力超過其抗拉強度時即產生裂紋。應力釋放較緩慢時，表現為延遲性裂紋。可見第1、5主軸頸靠齒輪側圓角淬火層受到齒輪淬火時的熱影響，該部位應力急劇釋放是齒根裂紋形成的主要原因。
3軸頸和輪齒的淬火工藝
3.1軸頸淬火設備及工藝參數
原西德生產的KWH型中頻半自動淬火機床，中頻電源為8000Hz變頻發電機，功率300kW。中頻淬火工藝參數見表1。
3.2輪齒淬火設備及工藝數據
設備為GCQC01型數控淬火機床，中頻電源為可控硅靜止電源，功率200kW。中頻淬火工藝數據見表
4解決齒根延遲開裂的方法
(1)根據以上分析，解決這種淬火裂紋的有效辦法主要是減小應力和防止應力再分配。為此，對經淬火的曲軸軸頸磨削加工后、輪齒淬火前進行去應力退火，并確保不降低軸頸硬度，去應力退火工藝為240oC×4h空冷，防止輪齒淬火時該區域應力因受熱而激烈釋放，導致齒根開裂。
(2)輪齒淬火時對主軸頸側進行噴淋淬火介質冷卻，以減小對軸頸圓角處的熱影響，遏制應力再分配。采取這一措施生產3根曲軸，經過7h后探傷，發現一根軸齒根部出現裂紋，未能*解決問題。同時，由于條件限制，噴淋淬火介質保護的穩定性差，人為影響因素多，產品質量難以穩定，所以噴液保護措施只能作為臨時性措施。
(3)齒輪淬火后除自回火外，再增加回火工序，相當于兩次回火。回火工藝：(160～180)℃X120rain，空冷。增加回火的目的主要是使殘余應力盡快釋放，避免應力緩慢釋放造成后期齒輪根部在使用中形成裂紋，消除隱患。
(4)優化設計是解決裂紋問題和提高工藝穩定性的根本途徑。這里所說的設計除了產品形狀結構外，還包含熱處理淬硬層要求。零件的不合理形狀或結構是導致其淬裂的原因。具體的改進是，第1、5主軸頸與輪齒側面連接的圓角不淬火，淬火熱影響區如圖4所示。結果，輪齒淬火時齒根部位應力穩定，可以明顯抑制齒根延遲開裂。生產實踐證明這種設計既滿足曲軸服役要求，又利于生產，降低了生產成本，具有良好的技術經濟性。
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