齒輪軸齒根部裂紋產生原因分析

王洪如

(江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇 南京 210007)

0 前言

某減速機制造企業生產的大型減速機的齒輪軸，圖紙上標明該齒輪軸鍛坯的材料牌號為42CrMo，在齒根部發現有裂紋產生造成齒輪軸失效。該齒輪軸根部裂紋被懷疑是鍛坯質量所致，江蘇省產品質量監督檢驗研究院對該齒輪軸裂紋進行檢驗，并分析了裂紋的產生原因是熱處理引起的。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

齒輪軸外觀如圖1所示。在齒輪軸的齒根部觀察到有裂紋存在，裂紋大多在同一側齒根部，呈斷續狀分布，裂紋開口較小，長約200～300 mm，如圖2所示。從齒根部的橫截面觀察，可以看到裂紋的最深處約15 mm，如圖3所示。在齒輪軸的嚙合面未發現有明顯碾壓痕跡，也未發現該齒輪軸存在過載運行的宏觀特征。

圖1 齒輪軸外觀Fig.1 Picture of gear shaft

圖2 齒根部裂紋外觀Fig.2 Appearance of tooth root

撥開裂紋，觀察斷口可知，靠近齒根表面附近的斷口區域較為平坦細膩，其余區域斷口較粗糙。同時可見裂紋擴展條紋，從擴展條紋的方向可以判斷，裂紋是由齒根部的表面開始，向內部擴展。斷口色澤灰暗，有輕度氧化，無明顯的塑性變形特征。

圖3 齒根部裂紋橫截面外觀Fig.3 Cross-section appearance of crack at tooth root

1.2 化學成分分析

對齒輪軸的化學成分進行分析，得到的結果如表1所示。由測試結果可知，該齒輪軸的化學成分符合JB/T6396－2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》標準中42CrMo鋼的技術要求。

表1 齒輪軸鍛坯化學成分Tab.1 Chemical compositions of forging stock for gear shaft

1.3 顯微組織分析

齒輪軸的顯微組織照片如圖4所示，該齒輪軸已經過表面硬化處理，其齒根部表面有一硬化層，表層組織為馬氏體 (圖4a)，次表層組織為鐵素體+馬氏體+珠光體 (圖4b)，部分區域有魏氏組織特征，而齒輪軸的心部組織為鐵素體+珠光體 (圖4c)。

圖4 齒輪軸的顯微組織Fig.4 Microstructure of gear shaft

裂紋起始于齒根部R角處，裂紋呈斷續狀向內發展，如圖5a所示。從圖5b中可以看到裂紋在表層和次表層組織的交界處有明顯的錯位特征。裂紋兩側的組織與裂紋附近區域無明顯區別，都存在魏氏組織的特征，且未發現氧化脫碳現象，如圖5c和圖5d所示。

1.4 掃描電鏡顯微分析

圖6a為裂紋起始區域的掃面電鏡形貌照片，可以看到明顯的沿晶斷裂特征［1］。裂紋擴展區斷口的微觀特征則主要為河流狀花樣，表現為解理斷裂為主［1］，如圖6b所示。局部區域有少量的韌窩花樣和極少量的準解理花樣，同時局部可見有二次裂紋，如圖6c所示。

圖5 裂紋處顯微組織Fig.5 Microstructure at crack

1.5 力學性能分析

圖6 裂紋的掃描電鏡顯微分析Fig.6 Analysis of cracks by means of scanning electron microscope

齒輪軸的拉伸、沖擊以及硬度測試結果如表2所示。由測試結果可知，該齒輪軸基體的屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均符合42CrMo鋼調質狀態的技術要求。由硬度測試結果可知，該齒輪的表層硬度值符合圖紙要求的表面淬火的硬度值，同時其心部基體硬度值也符合圖紙中調質狀態的技術要求。

表2 力學性能測試結果Tab.2 results of mechanics performance testing

2 綜合分析

分析可以看出，齒輪軸的化學成分符合42CrMo鋼的技術要求。該齒輪軸的強度和塑性性能指標也均符合42CrMo鋼調質處理后的技術要求。表層和心部基體的硬度值也符合圖紙中的技術要求。

從宏觀分析可知，齒輪軸的齒部未發現過載運行的特征，裂紋均位于齒根部R角處，裂紋開口較小，且呈斷續狀分布。從其斷口上裂紋擴展條紋的方向可以判斷裂紋起始于齒根部的表面，且斷口無明顯塑性變形特征。而由金相分析可知，裂紋也是起始于齒根部的R角處，呈斷續狀由外向內發展，裂紋兩側邊緣無氧化脫碳現象，排除了鍛造裂紋的可能性［2］。同時，裂紋在表層和次表層組織交界處有明顯的錯位特征，表明了有過大的組織應力的存在。此外，在齒輪軸的次表層區域的組織中有部分魏氏組織特征，而心部組織中無魏氏組織存在，魏氏組織的出現表明該齒輪軸存在熱處理工藝不當。

由掃描電鏡顯微分析可知，裂紋起始區的微觀形貌主要表現為沿晶斷裂特征，而裂紋擴展區的形貌則以解理斷裂為主，局部有二次裂紋、少量韌窩和準解理花樣，排除了應力腐蝕、腐蝕疲勞以及疲勞斷裂的可能性。

3 結論

裂紋均位于齒根部R角處，呈斷續狀由外向內發展，裂紋兩側邊緣無氧化脫碳現象;在齒輪軸的次表層區域的組織中有部分魏氏組織特征，而心部組織中無魏氏組織存在，表明該齒輪軸齒根部出現的裂紋是齒輪加工過程中的熱處理工藝不當造成的。

［1］崔岳賢，王長利.金屬斷口分析 ［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1998.

［2］孫智，江利，應展鵬.失效分析——基礎與應用［M］.北京:機械工業出版社，2005.