近年來，隨著我國“雙碳”戰略的實施，風電作為清潔能源在我國電力能源布局中的重要性不斷提升，以大兆瓦風電增速傳動技術為代表的研究和應用最為引入注目。風電增速箱是風電動力傳輸的關鍵設備，負責將風輪在風力作用下產生的動力傳遞給發電機，相對于其他工業齒輪箱，具有可靠性高、增速比大、高功率密度等特點。內齒圈作為增速箱的核心組成零件，其設計水平和承載能力顯著影響了風電增速箱的輕量化水平。因此，其制造質量得到了人們的廣泛關注。

　　通常，風電內齒圈主要的生產流程為連鑄圓坯→自由鍛+環鍛→正火→粗車→粗銑齒→調質→半粗車→精銑齒→感應淬火→噴丸→磨齒→探傷等。與滲碳淬火和滲氮相比，感應淬火具有生產效率高、節能環保和制造成本低等優點。然而，在實際生產過程中，內齒圈在感應淬火工序中淬火開裂問題尤為普遍。王榮認為，感應淬火工藝不當是造成感應淬火開裂的主要原因。鄭長進等針對內齒圈感應淬火工藝的過程控制進行了分析，從原材料質量控制、感應器制造、感應淬火工藝等方面提出了控制要點。黃星等認為，調整感應淬火的工藝頻率能有效減少淬火裂紋，但以上均未定量評估偏析和脫碳對感應淬火開裂的影響。本文旨在探索鍛造過程中偏析和脫碳對風電感應淬火開裂的影響，分析得到材料和鍛造關鍵技術指標對感應淬火開裂的影響規律，從而為內齒圈的生產制造提供優化依據。

　　一、開裂原因分析

　　宏觀形貌及磁粉探傷

　　內齒圈材料為 42CrMo4 鋼，模數 21 mm，齒輪外徑 Φ2166 mm，內徑 Φ1832 mm，齒寬 550 mm，單齒感應淬火工藝，節圓層深要求 4.4 ～ 5.4 mm。內齒圈感應淬火后，在磁粉探傷時，發現齒頂處存在感應淬火裂紋。內齒圈感應淬火裂紋齒部的分布圖如圖 1 所示。由圖 1 可見，內齒圈表面呈藍色回火色，圖 1 中箭頭所指的齒部均存在感應淬火裂紋。由圖 1 所見，裂紋分布處較多，幾乎達到了整個齒輪 3 /4 的齒數。

　　圖 2 為風電內齒圈磁粉探傷狀態下的宏觀形貌。可見，磁粉聚集線位于齒頂附近，沿徑向分布。

　　顯微組織觀察

　　為進一步分析聚集線形成原因，對內齒圈進行了金相分析。使用線切割在裂紋附近選取齒塊截面試樣進行低倍形貌觀察。共取 10 根開裂齒條進行解剖分析，分析了感應淬火裂紋齒塊的低倍組織特征，得到了感應淬火裂紋齒塊的兩種典型的宏觀低倍形貌(見圖 3) 。由圖 3 可知，在感應淬火開裂的齒部呈現較為嚴重的組織偏析，如箭頭位置所示，偏析組織呈現塊狀和條帶狀。

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

　　由于裂紋位置均發生在齒頂處，因此對齒頂附近進行金相檢查，圖 5 是齒頂附近截面顯微組織，發現齒頂附近存在深約 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 JB /T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》可以評定其馬氏體級別為 4 級，未見組織粗大特征。

　　為了進一步確認脫碳，分別對齒部開裂位置的表面脫碳層、基體暗區、基體亮區進行硬度測試。采用 FEM -7000 型顯微硬度計進行硬度測試，載荷砝碼 300 g，加載時間 10 s。圖 6 為開裂齒塊齒頂附近各區域顯微硬度測試數據。由圖 6 可以看出，齒頂附近基體暗區和亮區硬度偏差較大，且表面脫碳層硬度僅為 312 HV0.3。

　　脫碳層對開裂的影響

　　通過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。根據表 1 可知，557 HV0.3 對應的含碳量為 0.41% 。根據碳含量和硬度的關系可知，312 HV0.3 對應的含碳量為 0.06%。結合含碳量對相變轉變溫度 Ms 的影響可知，脫碳層會極大加劇感應淬火開裂。需要指出的是，感應淬火過程中并不會形成脫碳，因此該脫碳層應在感應淬火之前已經存在。通常，齒頂的半脫碳層會通過機加工去除，但當調質畸變過大，調質后局部齒頂加工量不夠，就會在齒頂處殘存半脫碳層。

　　偏析開裂的影響

　　為了進一步檢測內齒圈的成分偏析情況，對感應淬火開裂齒塊進行不同區域的直讀光譜測試( 距離表面 5 mm 開始測量，間隔 10 ～ 15 mm 交替測量) ，測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成分情況。由表 1 可知，齒塊的化學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，碳含量不斷增加。

　　在齒圈均布取 6 個感應淬火開裂齒塊，進行化學成分測試，以對整個齒圈進行碳偏析分析。內齒圈碳含量偏析程度如圖 7 所示。由圖 7 可知，整個齒圈鍛件的碳偏析程度已經達到了 0.06% 的偏差。即使在 1 號位置(齒頂處) 碳偏析程度也達到了0.04%左右。

　　碳偏析的存在必然會影響鋼的相轉變溫度 Ms。以 Wang 等給出的方法計算 0.38%碳含量和 0.44%碳含量的相轉變溫度 Ms，分別為 337 ℃和 321 ℃。不同碳含量的 Ms 溫度差達到了 20 ℃ 左右，這會導致在感應淬火過程中產生較大的組織應力差，從而導致淬火開裂。另外，碳偏析也會疊加鍛造的影響，形成如圖4(a) 所示的帶狀組織。帶狀組織會破壞鋼的連續性，增加淬火冷卻時的應力集中程度，從而也促進了感應淬火裂紋的擴展。另外，風電內齒圈在感應加熱后采用噴 PAG 水溶劑淬火液進行冷卻。由于噴淬要比浸入淬火的冷卻速率快，其大幅度提升了內齒圈感應淬火過程的淬火應力，當疊加碳偏析時更加容易造成感應淬火開裂。由此可見，碳偏析程度達到 0.04% 及以上時，淬火風險必然會增加。

　　綜上所述，內齒圈齒頂裂紋具有淬火裂紋特征，齒頂處馬氏體組織細小，未見粗大現象，可以排除由過熱現象導致開裂的原因。而齒頂表面存在半脫碳層，一般感應淬火過程中無法形成脫碳，因此該脫碳層應在感應淬火之前已經存在。半脫碳層含碳量低，Ms 點高，所以先淬成馬氏體，然后次表層再淬成馬氏體，對表面層產生推擠，而表層組織已轉變成硬度高塑性低的馬氏體，超過一定強度時就會發生開裂。此外，內齒圈基體帶狀組織偏析也會增加淬火冷卻時的應力集中程度，淬火裂紋會沿著偏析條帶處徑向擴展。

　　二、工藝改進措施

　　齒頂脫碳層形成原因及解決措施

　　感應淬火是一個快速加熱淬火過程，加熱過程不超過 10 s，感應淬火工藝不會出現齒頂脫碳，其脫碳環節應為鍛造工藝或調質處理殘留。目前，隨著大兆瓦風電技術快速發展，42CrMo4 鋼內齒圈的規格不斷變大。為了保證內齒圈熱處理性能，大部分都開始采用水劑淬火液進行熱處理，導致熱處理畸變有增大傾向。尤其在生產過程中出現多次熱處理返工時，會對后續精車和銑齒工序的加工量產生較大的影響，就有可能導致表面脫碳層未去除。

　　由此可見，由于調質畸變導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{質處理后的機加工尺寸或者提高水劑淬火液濃度來進行預防。

　　偏析定量表征及解決措施

　　風電內齒圈的鋼牌號為 42CrMo4，且采用連鑄工藝制造成圓坯進行齒坯成形。由于 42CrMo4 鋼的碳含量在 0.38% ～ 0.45% ，在大截面連鑄過程中容易形成嚴重的偏析。在直徑 Φ600 mm 的 42CrMo4 鋼大圓坯，沿著直徑方向進行成分檢驗。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到了 0.06% 。

　　自由鍛是風電內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 為鍛造比對內齒圈碳偏析差的影響。由表 2 可知，連鑄坯鍛造比達到 7 以上時，內齒圈碳偏析差可降低至 0.02%。

　　另外，在保證鍛造比的同時，還需要考慮內齒圈的工作表面應用的是連鑄坯的中心部位，為此需要進行控制沖孔的要求。通常，在沖孔工藝設計時，可以通過控制沖孔質量來實現連鑄坯中心部位偏析的去除?？刂茮_孔質量通過 A × H 來計算，其中，H 為連鑄坯下料長度，單位為 mm; A 為下料系數，單位為 kg /mm。表 3 為不同的下料系數對內齒圈齒部顯微缺陷和淬火開裂的影響。由表 3 可見，當下料系數≥0.019 時，可以避免齒部顯微缺陷和淬火開裂的產生。

　　三、結論

　　1) 碳偏析和脫碳層是導致內齒圈感應淬火開裂的重要原因。脫碳極大地加劇感應淬火開裂的風險，內齒圈的碳偏析程度達 0.04% 以上時，增加了感應淬火開裂的風險。

　　2) 通過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，從而預防偏析形成的感應淬火開裂問題。

　　3) 在沖孔工藝設計時，可以通過控制沖孔質量來實現連鑄坯中心部位偏析的去除。當下料系數 ≥0.019 時，可以避免齒部顯微缺陷和淬火開裂的產生。

　　參考文獻略.