辊端轴套裂纹原因分析

葛燕飞 李俊杰

精轧机接轴是板带热连轧精轧机组的关键部件，其中辊端轴套是连接轧辊和接轴的关键受力传动部件[1]，要求辊端轴套与接轴上的外齿轴套啮合的内齿面及与轧辊配合的扁孔面要有足够的耐磨性，且要求辊端轴套整体有足够的强度和韧性。因此，辊端轴套的材质选择较为讲究，为具有优良综合机械性的17Cr2Ni2Mo优质渗碳结构钢。为提高辊端轴套内齿及扁孔的耐磨性和延长使用寿命，其热处理工艺采用渗碳、表面感应淬火及回火工艺。其加工工艺流程为：锻造→正火→粗加工→稳定化回火→插齿→渗碳→高温回火→表面淬火→去应力回火→ 精加工→磨齿。

本文所述的辊端轴套在上线使用3个月后，返厂拆解维护，检测过程中发现其内齿齿根处有一条纵向裂纹，裂纹长度约为230mm，裂纹沿一侧齿根扩展至齿宽中部后，跨越齿顶沿另一侧齿面延伸。为查明裂纹原因，对其进行了检验和分析。

1.理化检测

1.1 宏观分析

辊端轴套裂纹是整体呈纵向分布的。

1.2 化学成分检测

在开裂纹顶部取样进行化学成分分析，使用SPECTROMAXx台式全谱直读光谱仪器对样品进行检测，其检测结果见表1，可判断出除Ni元素外其余元素的含量均符合GB/T 17107-1997《锻件用结构钢牌号和力学性能》标准对17Cr2Ni2Mo钢的技术要求，但Ni元素满足标准中对成品化学成分分析偏差的要求，由此判断此材料的化学成分符合标准要求。

1.3 硬度检测

沿齿宽中部将样品沿横向锯切开，经磨、抛后使用WILSON VH1150型维氏硬度计对齿的俩个侧面进行硬度梯度检测，检测结果见表2、表3、图1。图纸设计要求齿面硬度58 HRC-62 HRC，齿面有效硬化层深度为2.0mm-2.5mm。依据GB/T 5617-2005《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定》，可计算出齿面1的有效硬化层深度DS1=1.02mm，齿面2的有效硬化层深度DS2=0mm，由此可见辊端轴套齿部的硬化层深度没达到设计要求。

1.4 金相检测

将齿部位用金相试样切割切取后，在经过粗磨、细磨，抛光后使用ZEISS Vert.A1金相显微镜对样品进行金相分析可得，裂纹整体较为刚直，局部曲折，两侧未见非金属夹杂物等冶金缺陷（见图4）。使用浓度为4%的硝酸酒精溶液对试样进行浸蚀后进行观察，试样仅有一侧齿面及齿底局部存在淬硬组织，淬硬组织为回火马氏体；另一侧齿面未存在淬硬组织，其金相组织为保持马氏体位向的回火索氏体组织，其齿侧与齿底之间的圆弧过渡处均未淬硬，金相组织也是回火索氏体组织。齿心部金相组织为铁素体+贝氏体+珠光体。

图1 硬度梯度曲线

表1 化学成分检测结果(质量分数) %

表2 齿轮表面硬度梯度检测结果-1

表3 齿轮表面硬度梯度检测结果-2

表4 力学性能试验结果

1.5 力学性能检测

在未裂齿部沿轴套纵向取样，去除表面渗碳层后加工成拉伸及冲击试验进行检测，试验结果见表4。可见辊端轴套的抗拉强度、屈服强度均低于图纸设计要求，冲击功远大于图纸设计要求。

2.综合分析

17Cr2Ni2Mo是一种含合金元素较高的渗碳钢，由于含有较多的Cr、Ni、Mo等合金元素，能获得稳定性比Fe3C高的合金渗碳体(Fe，M)3C，可以抑制过冷奥氏体向珠光体转变，因而具有良好的淬透性。齿轮的工作条件相对较为复杂，为了满足要求，齿轮用钢不但应有高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度，而且还应有较高的塑形和韧性。为此可以采用渗碳后淬火加低温回火工艺进行处理，渗层组织为马氏体及碳化物，它具有较高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度；心部组织为低碳化马氏体及部分铁素体，它具有很高的强度、塑形和韧性。此外，由于渗层和心部C含量不同，将会在表层形成压应力，将显著提高材料的弯曲疲劳强度[2-3]。

此辊端轴套渗碳后采用的是感应淬火工艺，利用的是电磁感应原理在工件表面形成密度很高的感应电流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体的方法。

由上述试验理化检测结果可知：辊端轴套的化学成分满足GB/T 17107-1999对17Cr2Ni2Mo牌号的技术要求；其机械性能中的强度指标均不满足图纸设计要求，其原因是轴套的预处理工艺为正火+回火，预处理后基体硬度过低；轴套齿部的齿面硬化层深度也未达到设计要求，齿面淬硬侧的金相组织为马氏体，按JB/T 9204-2008评定其级别为5级，组织细腻，齿面未淬硬侧及齿根圆弧过渡处的金相组织为索氏体，其原因是感应淬火工艺不合理，造成硬化层不均匀且较浅；辊端轴套基体金相组织为铁素体+贝氏体及少量的珠光体，基体金相也不符合正火+回火后金相组织状态，其原因是感应淬火参数设计不合理，造成心部组织受热发生转变。

3.结论及建议

通过上述检测结果分析得出：该辊端轴套齿部开裂是由于齿部有效硬化层深度不合格，特别是在啮合一侧，齿面未存在有效硬化层，在内外齿啮合传动过程中，在齿部最为薄弱的齿根处产生磨损[4-5]，形成微裂纹，由于基体强度较低，在持续传动过程中，微裂纹扩展开来形成了宏观裂纹。

通过上述检测结果及分析，建议：1) 更改辊端轴套的预处理工艺，采用调质工艺代替正火+回火工艺，可以使基体的性能得到提升，满足图纸设计要求；2) 调整表面感应淬火参数，合理设计感应器，使其满足齿面有效硬化层深度要求；3) 加强质量监测，在表面淬火回火后通过硬度检测手段，及时发现问题，杜绝不合格品流入下一工序。