曲軸齒輪斷裂失效原因分析

■張曉云，成忠，于彥峰

曲軸齒輪斷裂失效原因分析

■張曉云，成忠，于彥峰

我公司生產的某型船用柴油機曲軸齒輪圖樣要求材料牌號為12CrNi3A GB/T3077—1999，滲碳層深度0.9～1.3mm（工藝滲層深度1.1～1.5mm），滲碳層硬度58～61HRC。

該零件的加工工藝過程為：原材料進廠檢驗→下料→鍛造齒坯→齒坯加工→滾齒→齒形幾何精度檢驗→滲碳→去碳層→淬火及回火→齒形精加工+磨齒形→清理輪齒、防銹和包裝。由于僅保留齒面的碳層，因此該齒輪齒面硬度高，心部綜合力學性能好。該齒輪使用約100h后，產生齒輪斷齒事故，斷齒斷口及未斷裂齒宏觀形貌如圖1所示，對斷齒齒輪進行無損檢測后發現有些（未斷裂）齒的齒面存在裂紋（見圖2）。

1.材料分析

原材料為12CrNi3A，具體化學成分見附表。

2. 試驗過程與結果

斷口形貌分析：該齒輪3個相連的齒都從齒面節圓附近開裂，向另一齒面的齒根和齒寬方向擴展，最終斷裂，裂紋形貌見圖3、圖4。

用硬度法檢測滲碳層深度（見圖5）及硬化層曲線（見圖6）。可見，硬化層深：有裂紋齒面一側0.73m m，另一側0.75m m；無裂紋齒面一側0.78mm，另一側0.81mm。硬度檢測：有裂紋齒面硬度為56.3HRC、56.7HRC；無裂紋齒頂硬度為56.5HRC、56.2HRC。硬度及層深均不滿足圖樣要求。

圖1　斷齒斷口及未斷裂齒宏觀形貌

圖2　未斷輪齒齒面著色檢測，可見滲透顯示的位置與分布

圖3　未經腐蝕的裂紋形貌

圖4　腐蝕后的裂紋形貌

圖5　層深檢測

圖6　硬化層曲線

12CrNi3A化學成分（質量分數）　　　（%）

3. 結語

由圖可以看出斷面有油污，清理后呈灰色，齒斷于節圓附近，斷口上可見到明顯的疲勞溝線和疲勞弧線。齒輪在嚙合過程中，節圓部位主要承受周期性壓應力和滾動（或滑動）引起的切應力作用，是應力比較集中的部位，該部位容易產生疲勞裂紋源。此外，由于滲碳層深度不足，導致零件表面硬度偏低，在高循環應力作用下，疲勞裂紋形成后沿齒寬方向（滲碳層）快速擴展，最終在齒上形成淺而長的疲勞裂紋，導致齒輪斷裂失效。

張曉云、成忠、于彥峰，陜西柴油機重工有限公司工藝研究所。