摘要：從宏觀形貌、顯微組織、脫碳層和偏析等方面分析了風(fēng)電內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火開(kāi)裂問(wèn)題。分析表明，鍛件的碳偏析、脫碳是導(dǎo)致內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火開(kāi)裂的重要原因，內(nèi)齒圈的碳偏析程度達(dá)到 0.04 % 以上時(shí)，增加了感應(yīng)淬火開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)齒頂脫碳加劇了感應(yīng)淬火開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際工藝改進(jìn)表明，采用三向鍛造的方式獲得鍛造比大于 7 的坯料，內(nèi)齒圈碳偏析差可降低至 0.02% ，能有效改善碳偏析。在沖孔工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)控制沖孔質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)連鑄坯中心部位偏析的消除，當(dāng)下料系數(shù)大于 0.019 時(shí)，可避免齒部顯微缺陷和淬火開(kāi)裂的產(chǎn)生。

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，風(fēng)電作為清潔能源在我國(guó)電力能源布局中的重要性不斷提升，以大兆瓦風(fēng)電增速傳動(dòng)技術(shù)為代表的研究和應(yīng)用最為引入注目。風(fēng)電增速箱是風(fēng)電動(dòng)力傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，相對(duì)于其他工業(yè)齒輪箱，具有可靠性高、增速比大、高功率密度等特點(diǎn)。內(nèi)齒圈作為增速箱的核心組成零件，其設(shè)計(jì)水平和承載能力顯著影響了風(fēng)電增速箱的輕量化水平。因此，其制造質(zhì)量得到了人們的廣泛關(guān)注。

　　通常，風(fēng)電內(nèi)齒圈主要的生產(chǎn)流程為連鑄圓坯→自由鍛+環(huán)鍛→正火→粗車→粗銑齒→調(diào)質(zhì)→半粗車→精銑齒→感應(yīng)淬火→噴丸→磨齒→探傷等。與滲碳淬火和滲氮相比，感應(yīng)淬火具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，內(nèi)齒圈在感應(yīng)淬火工序中淬火開(kāi)裂問(wèn)題尤為普遍。王榮認(rèn)為，感應(yīng)淬火工藝不當(dāng)是造成感應(yīng)淬火開(kāi)裂的主要原因。鄭長(zhǎng)進(jìn)等針對(duì)內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火工藝的過(guò)程控制進(jìn)行了分析，從原材料質(zhì)量控制、感應(yīng)器制造、感應(yīng)淬火工藝等方面提出了控制要點(diǎn)。黃星等認(rèn)為，調(diào)整感應(yīng)淬火的工藝頻率能有效減少淬火裂紋，但以上均未定量評(píng)估偏析和脫碳對(duì)感應(yīng)淬火開(kāi)裂的影響。本文旨在探索鍛造過(guò)程中偏析和脫碳對(duì)風(fēng)電感應(yīng)淬火開(kāi)裂的影響，分析得到材料和鍛造關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)感應(yīng)淬火開(kāi)裂的影響規(guī)律，從而為內(nèi)齒圈的生產(chǎn)制造提供優(yōu)化依據(jù)。

　　一、開(kāi)裂原因分析

　　宏觀形貌及磁粉探傷

　　內(nèi)齒圈材料為 42CrMo4 鋼，模數(shù) 21 mm，齒輪外徑 Φ2166 mm，內(nèi)徑 Φ1832 mm，齒寬 550 mm，單齒感應(yīng)淬火工藝，節(jié)圓層深要求 4.4 ～ 5.4 mm。內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火后，在磁粉探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒頂處存在感應(yīng)淬火裂紋。內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火裂紋齒部的分布圖如圖 1 所示。由圖 1 可見(jiàn)，內(nèi)齒圈表面呈藍(lán)色回火色，圖 1 中箭頭所指的齒部均存在感應(yīng)淬火裂紋。由圖 1 所見(jiàn)，裂紋分布處較多，幾乎達(dá)到了整個(gè)齒輪 3 /4 的齒數(shù)。

　　圖 2 為風(fēng)電內(nèi)齒圈磁粉探傷狀態(tài)下的宏觀形貌?？梢?jiàn)，磁粉聚集線位于齒頂附近，沿徑向分布。

　　顯微組織觀察

　　為進(jìn)一步分析聚集線形成原因，對(duì)內(nèi)齒圈進(jìn)行了金相分析。使用線切割在裂紋附近選取齒塊截面試樣進(jìn)行低倍形貌觀察。共取 10 根開(kāi)裂齒條進(jìn)行解剖分析，分析了感應(yīng)淬火裂紋齒塊的低倍組織特征，得到了感應(yīng)淬火裂紋齒塊的兩種典型的宏觀低倍形貌(見(jiàn)圖 3) 。由圖 3 可知，在感應(yīng)淬火開(kāi)裂的齒部呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的組織偏析，如箭頭位置所示，偏析組織呈現(xiàn)塊狀和條帶狀。

　　在裂紋附近選取齒塊截面試樣進(jìn)行金相檢查。圖 4 是裂紋截面顯微組織，裂紋呈沿晶擴(kuò)展，尾端尖細(xì)，未見(jiàn)分叉，具有淬火裂紋特征。

　　由于裂紋位置均發(fā)生在齒頂處，因此對(duì)齒頂附近進(jìn)行金相檢查，圖 5 是齒頂附近截面顯微組織，發(fā)現(xiàn)齒頂附近存在深約 60 μm 的脫碳層，脫碳層組織為塊狀鐵素體 + 馬氏體，次表面層組織為馬氏體，根據(jù) JB /T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》可以評(píng)定其馬氏體級(jí)別為 4 級(jí)，未見(jiàn)組織粗大特征。

　　為了進(jìn)一步確認(rèn)脫碳，分別對(duì)齒部開(kāi)裂位置的表面脫碳層、基體暗區(qū)、基體亮區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試。采用 FEM -7000 型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷砝碼 300 g，加載時(shí)間 10 s。圖 6 為開(kāi)裂齒塊齒頂附近各區(qū)域顯微硬度測(cè)試數(shù)據(jù)。由圖 6 可以看出，齒頂附近基體暗區(qū)和亮區(qū)硬度偏差較大，且表面脫碳層硬度僅為 312 HV0.3。

　　脫碳層對(duì)開(kāi)裂的影響

　　通過(guò)淬火硬度也可以反推出表面含碳量，從圖 6 可以看出，未脫碳的淬火硬度為 557 HV0.3，表面脫碳層硬度僅為 312 HV0.3。根據(jù)表 1 可知，557 HV0.3 對(duì)應(yīng)的含碳量為 0.41% 。根據(jù)碳含量和硬度的關(guān)系可知，312 HV0.3 對(duì)應(yīng)的含碳量為 0.06%。結(jié)合含碳量對(duì)相變轉(zhuǎn)變溫度 Ms 的影響可知，脫碳層會(huì)極大加劇感應(yīng)淬火開(kāi)裂。需要指出的是，感應(yīng)淬火過(guò)程中并不會(huì)形成脫碳，因此該脫碳層應(yīng)在感應(yīng)淬火之前已經(jīng)存在。通常，齒頂?shù)陌朊撎紝訒?huì)通過(guò)機(jī)加工去除，但當(dāng)調(diào)質(zhì)畸變過(guò)大，調(diào)質(zhì)后局部齒頂加工量不夠，就會(huì)在齒頂處殘存半脫碳層。

　　偏析開(kāi)裂的影響

　　為了進(jìn)一步檢測(cè)內(nèi)齒圈的成分偏析情況，對(duì)感應(yīng)淬火開(kāi)裂齒塊進(jìn)行不同區(qū)域的直讀光譜測(cè)試( 距離表面 5 mm 開(kāi)始測(cè)量，間隔 10 ～ 15 mm 交替測(cè)量) ，測(cè)試位置的示意圖如圖 3(a) 所示。表 1 為齒塊不同位置的化學(xué)成分情況。由表 1 可知，齒塊的化學(xué)成分偏析主要是碳元素，齒頂位置碳含量偏低，隨著往齒心部移動(dòng)，碳含量不斷增加。

　　在齒圈均布取 6 個(gè)感應(yīng)淬火開(kāi)裂齒塊，進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，以對(duì)整個(gè)齒圈進(jìn)行碳偏析分析。內(nèi)齒圈碳含量偏析程度如圖 7 所示。由圖 7 可知，整個(gè)齒圈鍛件的碳偏析程度已經(jīng)達(dá)到了 0.06% 的偏差。即使在 1 號(hào)位置(齒頂處) 碳偏析程度也達(dá)到了0.04%左右。

　　碳偏析的存在必然會(huì)影響鋼的相轉(zhuǎn)變溫度 Ms。以 Wang 等給出的方法計(jì)算 0.38%碳含量和 0.44%碳含量的相轉(zhuǎn)變溫度 Ms，分別為 337 ℃和 321 ℃。不同碳含量的 Ms 溫度差達(dá)到了 20 ℃ 左右，這會(huì)導(dǎo)致在感應(yīng)淬火過(guò)程中產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力差，從而導(dǎo)致淬火開(kāi)裂。另外，碳偏析也會(huì)疊加鍛造的影響，形成如圖4(a) 所示的帶狀組織。帶狀組織會(huì)破壞鋼的連續(xù)性，增加淬火冷卻時(shí)的應(yīng)力集中程度，從而也促進(jìn)了感應(yīng)淬火裂紋的擴(kuò)展。另外，風(fēng)電內(nèi)齒圈在感應(yīng)加熱后采用噴 PAG 水溶劑淬火液進(jìn)行冷卻。由于噴淬要比浸入淬火的冷卻速率快，其大幅度提升了內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火過(guò)程的淬火應(yīng)力，當(dāng)疊加碳偏析時(shí)更加容易造成感應(yīng)淬火開(kāi)裂。由此可見(jiàn)，碳偏析程度達(dá)到 0.04% 及以上時(shí)，淬火風(fēng)險(xiǎn)必然會(huì)增加。

　　綜上所述，內(nèi)齒圈齒頂裂紋具有淬火裂紋特征，齒頂處馬氏體組織細(xì)小，未見(jiàn)粗大現(xiàn)象，可以排除由過(guò)熱現(xiàn)象導(dǎo)致開(kāi)裂的原因。而齒頂表面存在半脫碳層，一般感應(yīng)淬火過(guò)程中無(wú)法形成脫碳，因此該脫碳層應(yīng)在感應(yīng)淬火之前已經(jīng)存在。半脫碳層含碳量低，Ms 點(diǎn)高，所以先淬成馬氏體，然后次表層再淬成馬氏體，對(duì)表面層產(chǎn)生推擠，而表層組織已轉(zhuǎn)變成硬度高塑性低的馬氏體，超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。此外，內(nèi)齒圈基體帶狀組織偏析也會(huì)增加淬火冷卻時(shí)的應(yīng)力集中程度，淬火裂紋會(huì)沿著偏析條帶處徑向擴(kuò)展。

　　二、工藝改進(jìn)措施

　　齒頂脫碳層形成原因及解決措施

　　感應(yīng)淬火是一個(gè)快速加熱淬火過(guò)程，加熱過(guò)程不超過(guò) 10 s，感應(yīng)淬火工藝不會(huì)出現(xiàn)齒頂脫碳，其脫碳環(huán)節(jié)應(yīng)為鍛造工藝或調(diào)質(zhì)處理殘留。目前，隨著大兆瓦風(fēng)電技術(shù)快速發(fā)展，42CrMo4 鋼內(nèi)齒圈的規(guī)格不斷變大。為了保證內(nèi)齒圈熱處理性能，大部分都開(kāi)始采用水劑淬火液進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致熱處理畸變有增大傾向。尤其在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)多次熱處理返工時(shí)，會(huì)對(duì)后續(xù)精車和銑齒工序的加工量產(chǎn)生較大的影響，就有可能導(dǎo)致表面脫碳層未去除。

　　由此可見(jiàn)，由于調(diào)質(zhì)畸變導(dǎo)致的齒頂橢圓或加工尺寸不足，使得局部齒頂脫碳層未能有效去除。通?？刹捎迷黾诱{(diào)質(zhì)處理后的機(jī)加工尺寸或者提高水劑淬火液濃度來(lái)進(jìn)行預(yù)防。

　　偏析定量表征及解決措施

　　風(fēng)電內(nèi)齒圈的鋼牌號(hào)為 42CrMo4，且采用連鑄工藝制造成圓坯進(jìn)行齒坯成形。由于 42CrMo4 鋼的碳含量在 0.38% ～ 0.45% ，在大截面連鑄過(guò)程中容易形成嚴(yán)重的偏析。在直徑 Φ600 mm 的 42CrMo4 鋼大圓坯，沿著直徑方向進(jìn)行成分檢驗(yàn)。圖 8 為 Φ600 mm 連鑄坯沿著直徑方向的碳濃度分布。由圖 8 可知，大連鑄坯的碳偏差值達(dá)到了 0.06% 。

　　自由鍛是風(fēng)電內(nèi)齒圈的常用成形方法，合理的鍛造比可以保證坯料的均勻性和致密程度。表 2 為鍛造比對(duì)內(nèi)齒圈碳偏析差的影響。由表 2 可知，連鑄坯鍛造比達(dá)到 7 以上時(shí)，內(nèi)齒圈碳偏析差可降低至 0.02%。

　　另外，在保證鍛造比的同時(shí)，還需要考慮內(nèi)齒圈的工作表面應(yīng)用的是連鑄坯的中心部位，為此需要進(jìn)行控制沖孔的要求。通常，在沖孔工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)控制沖孔質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)連鑄坯中心部位偏析的去除?？刂茮_孔質(zhì)量通過(guò) A × H 來(lái)計(jì)算，其中，H 為連鑄坯下料長(zhǎng)度，單位為 mm; A 為下料系數(shù)，單位為 kg /mm。表 3 為不同的下料系數(shù)對(duì)內(nèi)齒圈齒部顯微缺陷和淬火開(kāi)裂的影響。由表 3 可見(jiàn)，當(dāng)下料系數(shù)≥0.019 時(shí)，可以避免齒部顯微缺陷和淬火開(kāi)裂的產(chǎn)生。

　　三、結(jié)論

　　1) 碳偏析和脫碳層是導(dǎo)致內(nèi)齒圈感應(yīng)淬火開(kāi)裂的重要原因。脫碳極大地加劇感應(yīng)淬火開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，內(nèi)齒圈的碳偏析程度達(dá) 0.04% 以上時(shí)，增加了感應(yīng)淬火開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

　　2) 通過(guò)三向鍛造的方式獲得鍛造比大于 7 的坯料，可以有效改善碳偏析，從而預(yù)防偏析形成的感應(yīng)淬火開(kāi)裂問(wèn)題。

　　3) 在沖孔工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)控制沖孔質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)連鑄坯中心部位偏析的去除。當(dāng)下料系數(shù) ≥0.019 時(shí)，可以避免齒部顯微缺陷和淬火開(kāi)裂的產(chǎn)生。

　　參考文獻(xiàn)略.