行走(zou)齒(chi)輪(lun)(lun)是采煤機(ji)行走(zou)的重(zhong)要組成部分(fen)，其模(mo)數mn可(ke)達(da)到(dao)40以上(shang)。采煤機(ji)齒(chi)輪(lun)(lun)熱處理(li)的突出(chu)特點為大模(mo)數輪(lun)(lun)齒(chi)的心(xin)部硬度要求(qiu)達(da)到(dao)38HRC以上(shang)，以保證足夠的彎曲疲勞性(xing)能，因此(ci)行走(zou)齒(chi)輪(lun)(lun)常(chang)采用高淬(cui)透(tou)性(xing)的18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4或(huo)18CrNiMo7-6材(cai)質。目前國內煤機(ji)行業常(chang)用18Cr2Ni4WA及(ji)20Cr2Ni4材(cai)質，此(ci)兩種滲碳(tan)鋼端(duan)淬(cui)數值下降(jiang)平(ping)緩(huan)。
某(mou)圖號行走齒輪(見(jian)圖1)，材料為18Cr2Ni4WA，該產品(pin)采用滲(shen)碳后(hou)油淬火工藝(yi)，在回火后(hou)發現滲(shen)碳齒部有(you)嚴重(zhong)的貫(guan)穿型(xing)裂紋(見(jian)圖2)。
圖1 行走輪形貌及尺寸
圖2 輪齒裂紋
1.熱處理工藝
開(kai)裂事件后(hou)對行(xing)走(zou)齒輪熱處(chu)理工藝進行(xing)調查(cha)，其(qi)采用(yong)滲(shen)碳(tan)(tan)后(hou)降溫(wen)淬(cui)火路線，行(xing)走(zou)齒輪工藝硬化層深3.0～3.5mm，滲(shen)碳(tan)(tan)溫(wen)度(du)940℃，強滲(shen)碳(tan)(tan)勢1.10%，擴散(san)碳(tan)(tan)勢0.72%，滲(shen)碳(tan)(tan)后(hou)降溫(wen)到820℃均(jun)溫(wen)后(hou)淬(cui)火，油溫(wen)60℃，在(zai)油槽冷(leng)卻時間為0.5h，回火工藝為160℃保溫(wen)4h。
對該(gai)工件(jian)對應的(de)鍛件(jian)奧氏體晶(jing)粒(li)度檢查，發(fa)現其晶(jing)粒(li)度結果為混晶(jing)，呈現粗晶(jing)3.5級60%，細晶(jing)6.5級40%，鍛件(jian)奧氏體晶(jing)粒(li)度試驗采用的(de)工藝為930℃保溫(wen)5h后淬火，采用苦味酸(suan)腐蝕奧氏體晶(jing)粒(li)度。
2.檢驗
對(dui)工件(jian)裂紋形(xing)貌檢(jian)查，選(xuan)取開裂處切取一(yi)(yi)個單齒，暴露裂紋面(mian)，裂紋面(mian)宏(hong)觀檢(jian)驗，裂紋面(mian)形(xing)貌一(yi)(yi)致(zhi)，呈現應力型裂紋形(xing)貌，如圖3所示(shi)。
圖3 解剖取樣
（1）化學成分
18Cr2Ni4WA化學成分要求及實測(ce)值如附表所示，本體解剖的(de)化學成分符合技術要求。
本體化學成分（質量分數）檢測結果 （%）
（2）應力測試
為了測試(shi)裂紋(wen)工件的(de)應力情況，對工件裂紋(wen)處及附近無裂紋(wen)處進行了殘余(yu)應力檢測，采用愛思特X射線衍射儀，檢測殘余(yu)應力數據如下(xia)：
①裂紋區域兩點：-161MPa、-187MPa。
②無裂紋的正常區(qu)域三點：-189MPa、-28MPa、-103MPa。
殘余應(ying)(ying)力(li)檢測結(jie)果顯示工件的(de)裂紋(wen)區與(yu)非(fei)裂紋(wen)區均為殘余壓(ya)應(ying)(ying)力(li)且應(ying)(ying)力(li)結(jie)果相當(dang)，表明開裂后工件應(ying)(ying)力(li)得到釋放，最終(zhong)應(ying)(ying)力(li)呈(cheng)現常規滲碳層較(jiao)小(xiao)壓(ya)應(ying)(ying)力(li)的(de)基本(ben)特征。
（3）微觀組織檢驗
對端面(mian)裂(lie)紋附近齒部(bu)進行磨制拋光后腐蝕，如圖4所(suo)示，按照JB/T6141.3標準檢測，組(zu)織檢測結果為碳化物1級(ji)，馬(ma)氏體(ti)(ti)2級(ji)，表面(mian)局部(bu)存在較(jiao)長的馬(ma)氏體(ti)(ti)針，殘留奧氏體(ti)(ti)2級(ji)，心部(bu)鐵(tie)素體(ti)(ti)1級(ji)。
圖4 齒部金相組織
對(dui)(dui)裂紋垂直面心(xin)部(bu)檢測發現組織(zhi)局部(bu)較粗(cu)大(da)，如圖5所(suo)(suo)示，對(dui)(dui)此裂紋區域表(biao)(biao)層(ceng)和(he)心(xin)部(bu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒度(du)(du)進(jin)行苦味酸(suan)腐蝕(shi)，如圖6所(suo)(suo)示，發現表(biao)(biao)層(ceng)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒度(du)(du)和(he)心(xin)部(bu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒度(du)(du)均有混晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)現象，混晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)程(cheng)度(du)(du)遠超出(chu)標準及(ji)技(ji)術要求范圍，表(biao)(biao)層(ceng)混晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)：粗(cu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)4.5級(ji)30%，細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)7級(ji)70%，心(xin)部(bu)混晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)：粗(cu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)3級(ji)30%，細(xi)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)7級(ji)70%。
圖5 裂紋處表面金相組織
（a）裂紋區域表層晶粒度
（b）裂紋區域心部晶粒度
圖 6
3.分析與結論
18Cr2Ni4W為(wei)高(gao)淬透性(xing)滲碳鋼，無珠(zhu)光體(ti)(ti)(ti)及鐵(tie)素體(ti)(ti)(ti)轉變(bian)區，心(xin)(xin)部(bu)在滲碳空冷后(hou)獲得貝氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)及局部(bu)馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)（見圖7），其高(gao)淬透性(xing)特征可保證大(da)模數(shu)行(xing)走輪(lun)心(xin)(xin)部(bu)完全淬透，輪(lun)齒(chi)心(xin)(xin)部(bu)以及壁厚中部(bu)為(wei)完全馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)，馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)的(de)比(bi)體(ti)(ti)(ti)積(ji)大(da)于(yu)熱處理(li)前的(de)貝氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)比(bi)體(ti)(ti)(ti)積(ji)，淬火(huo)后(hou)馬(ma)(ma)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)(ti)組織(zhi)含(han)量越高(gao)，行(xing)走輪(lun)體(ti)(ti)(ti)積(ji)膨脹量越大(da)，組織(zhi)轉變(bian)產生(sheng)的(de)淬火(huo)應(ying)力越大(da)。
圖7 心部空冷后貝氏體及馬氏體組織
此(ci)18Cr2Ni4W工(gong)(gong)件(jian)(jian)采用940℃滲碳(tan)降溫(wen)淬火(huo)(huo)(huo)(huo)工(gong)(gong)藝，此(ci)工(gong)(gong)藝相(xiang)比滲碳(tan)后重新加(jia)熱淬火(huo)(huo)(huo)(huo)工(gong)(gong)藝而言內(nei)應(ying)(ying)力較(jiao)大(da)，且在淬火(huo)(huo)(huo)(huo)后回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)時間較(jiao)短(duan)，回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)未充分從而引起淬火(huo)(huo)(huo)(huo)應(ying)(ying)力釋放未完全，此(ci)工(gong)(gong)藝路(lu)線是回(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)后開裂(lie)的(de)一個誘因。對(dui)本體解(jie)剖(pou)微觀組(zu)織檢測，裂(lie)紋區(qu)域的(de)組(zu)織較(jiao)為粗大(da)，對(dui)應(ying)(ying)的(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)度(du)存(cun)在較(jiao)嚴重混(hun)晶(jing)(jing)(jing)現(xian)象，混(hun)晶(jing)(jing)(jing)將導致工(gong)(gong)件(jian)(jian)淬火(huo)(huo)(huo)(huo)后內(nei)部產生不均勻(yun)應(ying)(ying)力，工(gong)(gong)件(jian)(jian)對(dui)應(ying)(ying)鍛件(jian)(jian)試(shi)樣(yang)奧氏體晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)度(du)也(ye)為混(hun)晶(jing)(jing)(jing)，混(hun)晶(jing)(jing)(jing)是導致工(gong)(gong)件(jian)(jian)開裂(lie)的(de)另(ling)一個誘因。此(ci)開裂(lie)事件(jian)(jian)也(ye)表明鍛件(jian)(jian)奧氏體晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)度(du)檢測結果與滲碳(tan)降溫(wen)淬火(huo)(huo)(huo)(huo)的(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)度(du)長大(da)傾向(xiang)相(xiang)同，鍛件(jian)(jian)奧氏體晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)度(du)混(hun)晶(jing)(jing)(jing)者(zhe)不可采用相(xiang)同滲碳(tan)溫(wen)度(du)的(de)降溫(wen)淬火(huo)(huo)(huo)(huo)路(lu)線。
18Cr2Ni4W為(wei)低碳(tan)(tan)(tan)(tan)高(gao)合金(jin)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)鋼，Cr、Ni、W元素含量(liang)遠高(gao)于常規的(de)20CrMnMo、20CrNiMo等(deng)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)鋼，合金(jin)元素越(yue)高(gao)，其在(zai)均(jun)(jun)溫(wen)(wen)時的(de)合金(jin)均(jun)(jun)勻(yun)度指(zhi)(zhi)標上(shang)要弱于合金(jin)含量(liang)相(xiang)(xiang)對低的(de)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)鋼，3.0～3.5mm硬化層需要40h以(yi)(yi)上(shang)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)時間(jian)，長時間(jian)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)容易局部(bu)晶粒(li)異常長大，在(zai)降溫(wen)(wen)淬(cui)火時不會細(xi)化滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)晶粒(li)度，最終淬(cui)火后滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)混晶得以(yi)(yi)保留。一般18Cr2Ni4W采用(yong)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)后二次高(gao)溫(wen)(wen)回火再重(zhong)新加熱淬(cui)火路(lu)(lu)線，采用(yong)此熱處理路(lu)(lu)線可以(yi)(yi)保證殘留奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)等(deng)金(jin)相(xiang)(xiang)組織性能基(ji)礎上(shang)產生較(jiao)小的(de)淬(cui)火應(ying)力。若18Cr2Ni4W需要采用(yong)滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)降溫(wen)(wen)淬(cui)火路(lu)(lu)線，則必(bi)須控制鍛(duan)件(jian)奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)晶粒(li)度指(zhi)(zhi)標不能存在(zai)混晶現象，鍛(duan)件(jian)奧(ao)(ao)氏體(ti)(ti)晶粒(li)度檢測(ce)的(de)溫(wen)(wen)度及(ji)保溫(wen)(wen)時間(jian)需要與滲碳(tan)(tan)(tan)(tan)溫(wen)(wen)度及(ji)保溫(wen)(wen)時間(jian)基(ji)本相(xiang)(xiang)同，同時需要控制淬(cui)火冷卻介質的(de)冷卻速度以(yi)(yi)及(ji)充足的(de)回火時間(jian)，以(yi)(yi)減小淬(cui)火應(ying)力。
如上分析，此圖(tu)號行走齒(chi)輪裂(lie)紋產(chan)生(sheng)的(de)原因為滲碳降溫淬火(huo)后回火(huo)時間較短以及(ji)嚴(yan)重混(hun)晶導致淬火(huo)應力(li)(li)無法完(wan)全釋放，淬火(huo)應力(li)(li)超出材(cai)料強(qiang)度極限后產(chan)生(sheng)開(kai)裂(lie)。