雙聯齒輪斷裂分析

宗國慶 董 霞 高 彤 田光榮

(內蒙古北方重工業集團有限公司，包頭 014033)

齒輪在工業生產中應用廣泛，用于變速器、傳動系統齒輪的制造加工已是成熟技術，但是因齒輪引起的失效仍然時常發生。筆者所分析的案例中機床傳動系統雙聯直齒輪使用不到一年即發生了齒面斷裂。為了分析齒輪破損斷裂的原因，界定事故責任，對斷裂齒輪展開了理化檢測與分析，應用硬度測試、顯微觀察及化學分析等技術方法，確定了齒輪存在的瑕疵，對事故原因作出了科學合理的解釋，為改進生產工藝、優化產品質量提供了技術依據。

1 齒輪生產制造工藝

雙聯直齒輪采用20CrNiMo材料，鍛造、機械加工成型后，進行表面滲碳、淬火及低溫回火熱處理，技術要求規定：成品齒輪表面淬硬層深度為1.5 ～ 2.5 mm，表面硬度為54.0 ～ 58.0 HRC，芯部硬度為30.0 ～ 42.0 HRC。

2 齒輪斷裂現象與特征

齒輪斷裂發生在齒部，斷裂位置從節圓上部齒廓斜向至另一側齒根與整體齒輪分離，見圖1。圖1中ab為齒輪斷裂面，觀察斷口有機械損傷，但仍然可以看出裂紋擴展疲勞弧線及在不同高度形成的臺階棱面，見圖2。

圖1 齒輪斷裂示意圖

圖2 齒輪斷裂宏觀斷口形貌

由圖2可見，首先發生開裂的位置在斷裂齒廓a與齒輪端面交界處，裂紋源及擴展區放大形貌見圖3，根據擴展區數條以裂源為中心形成的同心圓平行弧線特征可以確定齒輪屬于疲勞斷裂。在斷裂齒廓面上裂紋起始位置附近仍可見到同方向生成的裂紋和一些麻點、麻坑缺陷，見圖4-圖6。

圖3 裂源及擴展區形貌(12.5×)

圖4 斷裂齒廓面裂紋(12.5×)

圖5 斷裂齒廓面麻點、麻坑(7.5×)

3 理化檢測分析結果

3.1 裂紋微觀形貌

在裂紋處取樣，平行于齒輪端面磨制后用GX-51光學金相顯微鏡觀察，裂紋與齒廓表面以一定角度向基體內延伸擴展，主裂紋旁有分支微細裂紋或呈網絡沿晶狀，裂紋內有灰色產物，見圖7，裂紋兩側無氧化脫碳和非金屬夾雜物聚集現象，但檢查發現齒廓表面有局部脫碳現象，脫碳層深度為0.07～ 0.20 mm。

圖6 齒廓面麻點、麻坑放大

圖7 裂紋微觀形貌(200×)

3.2 微觀斷口分析

將齒輪斷口試樣經超聲波震蕩儀清洗后，用掃描電鏡觀察斷裂的微觀形貌，在擴展區斷口仍可見到等間距分布的疲勞條紋，見圖8。

圖8 斷口擴展區疲勞條紋

3.3 滲碳層檢測

3.3.1 滲碳層深度

采用維氏硬度法用FEM-7000顯微硬度計測量鑲嵌試樣的滲碳層深度，測試結果列于表1，測得該齒輪滲碳有效硬化層深度為0.70 mm，遠低于1.5～2.5 mm的規定要求。

3.3.2 滲碳層硬度分布

由表1可知，滲碳層硬度分布規律出現單駝峰型，最表層硬度并不是最大值，深度達到0.55 mm時硬度為最高，很快又開始下降，如此的硬度分布規律反映出齒輪滲碳工藝存在異常。

表1 維氏硬度法測定的顯微硬度值

對斷裂齒輪齒廓表面及芯部進行洛氏硬度檢測，結果列于表2，由表2可知，斷裂齒輪表面及芯部硬度均未達到技術要求。

表2 洛氏硬度測定結果

3.3.3 滲碳層及芯部顯微組織

經金相檢測齒輪滲碳層由表及里的組織為托氏體→回火馬氏體+托氏體→回火馬氏體+貝氏體→索氏體+鐵素體(芯部)。

表層滲碳組織為托氏體不是正常滲碳應得到的組織，這正是齒輪表面硬度低的原因，說明滲碳過程中爐內碳勢氣氛濃度不足，破壞了正常滲碳的平衡狀態，造成齒輪最表層碳含量降低或發生脫碳，使滲碳淬火后表面形成極薄的一層托氏體組織[1]；而芯部滲碳淬火后得到索氏體和鐵素體組織，主要是齒輪尺寸較大，沒有達到淬火效果，因而芯部不能獲得理想的硬度和韌性。

3.4 齒輪基體夾雜物和晶粒度檢測

非金屬夾雜物按GB/T 10561-2005標準檢測后評級為：A1.0e，B0.5，C0，D1.0，DS0。

實際晶粒度按GB/T 6394-2002標準檢測，材料內部存在混晶現象，晶粒度評級為7級80%，5級20% 。

3.5 化學成分分析

在斷裂齒輪上取樣進行化學成分分析，結果列于表3。

4 綜合分析

在工業生產中齒輪常用來傳遞載荷和動力，服役過程中除了承受高的接觸壓應力外，在接觸的兩齒面上還會產生相對摩擦，因此在循環接觸壓應力、摩擦力的同時作用下，接觸表面的局部區域往往容易出現接觸疲勞[2]，雙聯齒輪齒面產生麻點、麻坑、裂紋、甚至斷裂就是接觸疲勞失效的表現形式[3]。引起雙聯齒輪發生這些損傷的主要原因可以認為是以下幾方面因素。

表3 化學成分分析結果 %

(1)對齒輪進行滲碳及熱處理是提高零件表面硬度、耐磨性和接觸疲勞強度的主要途徑[4]，從雙聯齒輪顯微組織檢測結果看出，齒廓面上有局部脫碳現象，滲碳后齒輪如果表面存在脫碳缺陷，將使零件的疲勞強度降低，對長期反復載荷的抗力也降低，容易誘發疲勞裂紋，成為齒輪服役過程中致命的隱患，因此脫碳是引發雙聯齒輪疲勞裂紋萌生擴展以致斷裂，導致變速系統失效的根本原因。

(2)高溫下滲碳，活性碳原子向工件表面滲入擴散與工件氧化脫碳互為可逆反應，一旦滲碳爐內碳勢過低，工件氧化脫碳速率大于碳原子滲入速率，工件表面就會出現碳濃度降低，甚至發生脫碳[4]，這在滲碳工藝中是忌諱出現的，因此齒輪表面滲碳層過淺和局部脫碳是因滲碳時間不夠及碳勢失衡的滲碳工藝缺陷造成的。

(3)由于齒輪表面脫碳及碳濃度偏低，導致淬火時不能完全獲得馬氏體，在最表層形成了托氏體組織，托氏體比容比馬氏體小，強度低，從而減弱了滲碳表層的殘余壓應力，不僅容易引起塑性流變，而且抗疲勞性能低極易產生疲勞裂紋[2]，這也是齒輪表面硬度沒有達到技術要求的實質。當齒面強度較低時，會以剪切方式的破斷產生疲勞裂縫，裂紋與齒面成一銳角，因為在摩擦力作用下齒面金屬總是向一個方向滑移，在這種情況下裂縫容易順著變形方向產生[2]。

(4)雙聯齒輪尺寸較大，出于改善熱處理效果、提高綜合力學性能的目的，選用20CrNiMo材料，經對所用材料化學成分分析，Mn和Ni元素含量均低于技術要求規定，這兩種元素都有顯著提高淬透性的作用，含量不足將導致該材料熱處理后力學性能潛力不能有效發揮。

5 結論

齒輪滲碳工藝不正常，造成滲碳后齒面碳濃度不足，甚至出現局部脫碳，經過熱處理齒輪沒有達到應有的組織和性能，表面硬度偏低，使齒輪在傳動過程中過早的萌生疲勞裂紋，最終形成斷裂失效。

6 建議

(1)合理實施滲碳，增大活性碳原子裂解速度，確保爐內正常碳勢濃度，延長滲碳時間，使齒輪獲得合適的滲碳層深度和表面碳濃度。

(2)齒輪芯部硬度低的原因是得到了部分鐵素體組織，建議零件滲碳后淬火時適當提高淬火溫度，加強冷卻效果，使芯部組織和性能得到改善。

(3)加強成品齒輪的質量檢測，杜絕不合格產品投入使用，避免造成更大的經濟損失。

[1]李泉華.熱處理實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006：60.

[2]胡世炎.破斷故障金相分析[M].北京：國防工業出版社，1978：241，242，277.

[3]吳連生，失效分析技術[M].重慶：四川科學技術出版社，1985：152.

[4]安運鐸，熱處理工藝學[M].北京：機械工業出版社，1988：154，158.