18Cr2Ni4W钢齿轮热处理的主要质量缺陷分析及改善

18Cr2Ni4W钢齿轮热处理的主要质量缺陷分析及改善陈亚摘要：摇臂和行星减速机齿轮箱故障率占到采煤机整体故障率的30%以上，是采煤机整体可靠性的薄弱环节，18Cr2Ni4W齿轮的热处理常见质量问题有表面硬度不足、硬化层深度不足、残余奥氏体过多、裂纹等。18Cr2Ni4W钢的复合等温淬火热处理工艺较为复杂，控制因素要求严格。根据本文所判断出的三方面主要因素，在改善阶段进行重点控制，最终评估效果显著。最终通过上述三个方面的工作使改善后的流程变成程序化和习惯化。关键词：18Cr2Ni4W钢齿轮热处理质量缺陷分析改善采煤机截割部是采煤机工作时落煤和装煤的重要部件，由行星减速机和摇臂两大机构组成。据数据统计，摇臂和行星减速机齿轮箱故障率占到采煤机整体故障率的30%以上，是采煤机整体可靠性的薄弱环节，影响到井下综采面生产的均衡性。目前采煤机齿轮常用的材料为18Cr2Ni4W钢，在生产企业内部检验发现18Cr2Ni4W齿轮的热处理常见质量问题有表面硬度不足、硬化层深度不足、残余奥氏体过多、裂纹等。一、18Cr2Ni4W钢齿轮生产流程采煤机行星减速机齿轮整体生产流程如图一所示，从图中可以看出，热处理工序在整体流程中位置靠后，热处理的合格率会影响最终产品的合格率。而18Cr2Ni4W钢的热处理工艺较为复杂，控制因素要求严格，这都增加了成产的难度和成本，因此提高产品合格率降低成本就显得尤为重要。图一18Cr2Ni4W齿轮制造流程简图二、18Cr2Ni4W钢热处理质量缺陷分析1.18Cr2Ni4W钢热处理工艺18Cr2Ni4W钢是一种高合金渗碳钢，经过热处理后心部硬度要达到36～42HRC，表面硬度要达到58～62HRC，渗碳层1.9～2.3mm。虽然18Cr2Ni4W钢热处理后性能较好，但其导热性差、高淬透性和线膨胀系数大，在热处理工艺过程中需要多次加热和冷却，所以热处理后齿轮的内应力大变形量大。18Cr2Ni4W钢的复合等温淬火热处理工艺如图二所示。图二复合等温淬火工艺图2.质量缺陷分析渗碳后进行高温回火是为了消除渗碳后的奥氏体，如果回火温度低于工艺温度将造成残余奥氏体过多，会降低淬火后工件的硬度。淬火温度过高将导致奥氏体晶粒长大，温度过低可能导致受热不均奥氏体转变不完全，都能导致淬火后硬度的不足。所以，和温度控制相关的设备、环境因素都属于关键因素。在操作方面：进行等温转变操作时，从低温盐浴转入高温盐浴的间隔时间过长，工件温度下降会导致发生马氏体转变，材料内部贝氏体不足硬度不达标。在高温盐浴后进行油冷，降至室温后进行水煮除盐，再转入冰冻处理，从油冷至冰冻之间如果间隔时间过长会导致奥氏体的深化，最后材料内残余奥氏体多硬度低。原材料的质量直接决定了最终产品的性能，也是非常重要的环节，所以在原材料入库前每批钢材都要进行抽检，鉴于以往的经验此环节排除在改善阶段之外。在工件加工和转运过程中如果工件表面受到污染，污染点在加热和冷却会和其他部分存在差别和不同步，最终导致工件表面存在软点，这个问题虽然存在于工件上，但主要是人为造成的。除此之外还有一些因素，通过图三鱼骨图进行列举。图三质量缺陷分析鱼骨图3.影响质量的关键因素热处理过程的复杂性决定其影响因素是多方面的，本人所在企业曾因本零件热处理合格率低做过很多工作，但大都局限在生产车间内部的操作规范性和原材料的入场检验上，对设备也仅检测温控装置的精确性进行定期校准和更换。所以在操作者和工件两方面因素基本排除，重点对设备和环境两方面因素进行重点分析和排查。表一流程控制缺陷表序号影响因素后果关键性描述1淬火炉测温装置影响加热温度准确性关键2回火炉测温装置影响加热温度准确性关键3淬火炉附近高温、高湿度超出仪表允许范围，仪表会失灵关键4设备高温漏电干扰仪表，影响加热温度准确性关键5温控仪表附近存在高压电场干扰仪表，影响加热温度准确性关键6温控仪表附近存在交变磁场干扰仪表，影响加热温度准确性关键7等温转变高温转低温时间过长工件温度降发生马氏体转变关键8油冷转冰冻间隔时间过长发生奥氏体沉化关键9毛坯质量缺陷影响产品质量关键10工件表面污染淬火后存在软点关键11测量系统导致测量误差非关键12工艺方法对操作者要求高非关键表一中列举了12个会导致最终材料硬度不足缺陷的关键因素，总的来分1、2、3属于设备方面因素，4、5、6属于环境因素，7、8、10、11、12属于操作者的人为因素，因素9虽说是原材料质量问题，但通过提高抽检率可以有效减少不合格原材料进入生产流程，也可以纳入人为因素里。三、针对性改善根据上文所判断出的三方面主要因素，在改善阶段进行重点控制，具体措施有：设备因素改善：严格执行设备三级保养和大修制度，一周一次例保、一月一次一保、两年一次二保。在每次设备开机之前增加设备巡检工序，经维修人员签字后方可开机生产。为防止设备高温漏电，在热电偶金属套管上连接接地线，防止干扰电流导入电极。环境因素改善：根据质量时序图可以知道，产品的合格率随月份具有一定的规律性，两年内合格率较低的时间段均在7-9月份。在分析阶段的项目组会议中就把环境因素作为重点的怀疑对象，因此在改善阶段维修部联合动力部和技术部对热处理设备周边的动力线路和大功率设备进行排查改进，对淬火炉二次仪表柜移动到相对远的位置，并安装强制排风装置，改善仪表工作环境。人为因素改善：对于操作过程中具有时效性的环节，安排维修人员安装计时报警装置，如在等温淬火中的由高温盐浴转入低温盐浴时，工件从高温盐浴出来就开始计时，30秒后未得到确认就开始报警，提示操作者操作时间已到临界值，如再不及时完成操作将影响产品质量。经检查维修部门台账记录发现，之前维修人员填写的部分维修记录字迹潦草，记录内容不完整并被油渍污染，给后续的资料整理带来困难，为此规定每班次在交接之前除了手写工作记录之外还要将本班次的设备和维修记录录入电脑存档，按月制作设备运行状况报表，以此来积累数据，实现设备运行状况的历史追溯和性能周期规律的发掘。改善阶段相关信息如表二所示：表二流程改进安排表影响因素改进思路改进措施负责人设备因素增加设备稳定性开机之前增加设备巡检工序当班维修人员防止设备高温漏电热电偶金属套管上连接接地线孟X、李XX环境因素减少交变磁场干扰二次仪表排查热电偶线路附近大功率、强电流设备和导线，有则需改线路或屏蔽。孟X、李XX减少高压电场干扰二次仪表排查测温补偿导线屏蔽并接地良好胡XX、李X减少高温、高湿对二次仪表的影响将二次仪表安装位置远离淬火炉，电柜再加装一个风扇加大空气对流。胡XX、李X人为因素减少等温转变高温转低温的操作时间相关岗位加装计时报警装置袁XX减少油冷转冰冻操作时间相关岗位加装计时报警装置袁XX避免淬火工件表面污染工件入炉前增加清理环节当班淬火操作人员改善维修记录的数据积累每个班次录入存储设备维修记录，按月做报表。当班维修人员、齐X四、改善效果及后续工作财务部门根据水、电、风、人工、设备折旧成本核算2012-2013年平均每千克18Cr2Ni4W钢热处理成本27元，2014年1-7月平均每千克18Cr2Ni4W钢成本18.5元，如果按照2014年1-7月的平均合格率保持下去，每千克18Cr2Ni4W钢热处理成本减少8.5元。公司平均年消耗12吨18Cr2Ni4W钢，计算盈余90000元。这仅仅是18Cr2Ni4W钢材热处理的盈余，在此项目中的改进措施对其他钢种的热处理质量都会带来好处，因此本项目的盈余是最低标准估算。通过改善效果的评估可以看出效果是明显和突出的，但要避免项目结束后又回到老的习惯和操作流程，就需要对人员形成长期的持续影响，这就是控制阶段的重要工作。在此阶段项目小组从制度建设、人员培训和监督检查三个方面进行推进。项目进行中，对操作流程的改进主要以临时文件的形式传达，经评估确认后在控制阶段将固定为技术文件，明确责任推进实施。新的制度和文件要让所有工作人员都能掌握和顺利执行，就需要进行学习和培训，并且对学习效果进行检验和考核。工作人员经过培训学习掌握了新的技术流程后，在操作中能否认真实施还需要对其监督和检查。控制阶段就是通过上述三个方面的工作使改善后的流程变成程序化和习惯化。[参考文献](1)夏国华．现代热处理技术[M]．北京：兵器工业出版社2005,(5)．(2)孙一唐等．热处理机械化和自动化]．北京：机械工业出版社2012．(3)严万生，陈敬开．掘进机齿轮材料的研究．北京：煤炭工业出版社1994.