馮紫萱， 馮文博， 李 軻

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司， 陜西 勉縣 724200）

在機械設備運轉的過程中，齒輪往往起著不可替代的重要作用，齒輪一旦失效會造成重大設備事故與人員傷害。齒輪失效最常見的一種形式是輪齒折斷，齒輪的齒部發生斷裂是整個機械工程領域中最為嚴重的一種，主要包括隨機折斷、過載折斷和疲勞折斷，為了避免發生輪齒折斷就要求輪齒有一定的強度，而齒輪強度與熱處理工藝、制造工藝和微觀組織等密切相關，齒輪常用的熱處理工藝是滲碳淬火，熱處理工藝不當會造成硬化層深度不合格和表面硬度不符合要求等，從而導致齒輪斷裂失效。某鋼廠在使用減速機的過程中某一齒輪突然發生失效，且輪齒多處發生斷裂。為了排除使用不當所造成的斷裂，找到齒輪失效的真正原因，有必要進行檢驗分析，從而提高設備運轉效率[1-3]。

1 試驗材料及方法

齒輪材料為20CrMnTi 鋼，輪齒部要求滲碳淬火處理。

通過對失效斷裂齒輪分別進行肉眼宏觀分析，用直讀光譜儀進行化學分析，用洛氏硬度進行硬度分析，以及對斷裂殘片用金相顯微鏡進行微觀組織分析，從而確定齒輪斷裂的原因。

2 檢驗與分析

2.1 宏觀分析

齒輪的宏觀斷口形貌如圖1 所示，齒輪斷面參差不齊，大多都斷掉了齒部的三分之一。可以看到齒部的三分之一處受到接觸壓力，齒根部位一般容易形成應力集中，從而產生較大的切應力，當超過齒輪承受極限時就會形成過載裂紋，裂紋進一步向左部擴展直至全部斷裂，這是一種疲勞折斷。圖2 是齒部斷裂殘片橫截面鑲嵌樣經過磨制拋光，用4%的硝酸酒精腐蝕的宏觀形貌，右部半圓形的黑色區域是滲碳淬火層，白色區域為心部[4]。

圖1 減速機齒輪斷口的宏觀形貌

圖2 齒部斷裂殘片橫截面鑲嵌樣宏觀形貌

2.2 化學成分分析

用直讀光譜儀分三次對失效齒輪上不同的點進行化學成分分析，結果見表1。如表1 所示，碳和鉻稍有偏高，鎳和銅超標，其他元素符合技術要求。

表1 斷裂齒輪化學成分分析結果 %

2.3 洛氏硬度分析

對斷裂齒輪的剩余齒部進行洛氏硬度檢驗分析，主要從斷裂位置附近及正常位置處的硬度進行檢驗，結果見下頁表2。如表2 所示距離斷裂位置越近硬度值越低，正常未斷裂部位硬度值也較技術要求低，可見都沒有滿足技術要求，這直接導致齒輪的接觸疲勞強度下降，使齒部的承載力降低，最終造成齒輪的輪齒過載斷裂失效[5-6]。

表2 斷裂齒輪洛氏硬度檢驗結果

2.4 金相組織分析

把鑲嵌好的齒部斷裂殘片橫截面試樣（如圖2所示），用金相顯微鏡觀察。

圖3 是圖2 所對應的微觀形貌照片，最外層是滲碳淬火層，接著是過渡層，最里面是心部區域；圖4 為試樣心部的顯微組織，組織為板條狀馬氏體+少量殘余奧氏體；圖5、圖6 為邊部滲碳淬火區域的顯微組織，組織為回火馬氏體+網狀碳化物+大塊狀碳化物。

圖3 齒部斷裂殘片橫截面微觀形貌50×

圖4 齒部心部的顯微組織500×

圖5 齒部邊緣滲碳淬火區域的顯微組織500×

齒輪滲碳淬火后正常情況下的碳化物為均勻分布的顆粒狀，而且碳化物顆粒越細越好，但如圖6 所示，該斷裂齒輪滲碳淬火區域的碳化物為大塊狀，并存在有害組織網狀碳化物，如圖5 所示。碳化物是硬而脆的組織，它們分布在原奧氏體晶界上，即馬氏體區域的邊界上，這會有效降低晶界的塑性和強度，如果在外力的作用下位錯運動會導致組織區域間協調變形受阻，位錯受阻后聚集在晶界碳化物處，最終只能導致裂紋的生成來釋放自由能，所以脆性碳化物越多，那么齒輪的脆性就越大[7-9]。

圖6 齒部邊緣滲碳淬火區域的顯微組織500×

3 結論

結合以上理化檢驗及分析結果，導致齒輪斷裂的主要原因是：

1）斷裂齒輪洛氏硬度遠低于技術要求。

2）齒輪滲碳淬火區域存在大量的網狀碳化物和大塊狀碳化物，造成齒輪脆性增大。