減速機齒輪開裂原因分析

摘? 要：減速器是一種由封閉在剛性殼體內的齒輪（或蝸桿、齒輪-蝸桿）傳動所組成的獨立部件，一般在原動機和工作機之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程機械及石化等行業有極為廣泛的應用。

關鍵詞：齒輪;硬化層深;夾雜物;應力集中

引言

某廠走行減速機用齒輪磨齒后，多件在齒輪內孔鍵槽孔壁圓周方向及齒輪端面發現裂紋，齒輪材質為18CrNiMo7-6，生產流程：粗加工→滲碳淬火+回火→精加工（開鍵槽等）。為確定齒輪裂紋產生原因，進行了一系列檢驗與分析。

一、試驗過程與結果

1.1宏觀檢查

齒輪外圓周、內孔鍵槽孔壁圓周方向及端面均發現較長裂紋，部分端面裂紋兩側呈翹起狀，如圖1所示。沿裂紋打開后，觀察斷口形貌，大部分呈細瓷狀銀色金屬光澤，未見陳舊性斷口，裂紋源在鍵槽根部拐角處。從裂紋源向四周可見明顯放射狀花紋及撕裂棱，為高應力脆性開裂斷口形貌，如圖2、圖3所示。鍵槽加工粗糙，線切割加工痕跡清晰。

1.2化學成分檢驗

用ICP電感耦合等離子體發射光譜儀對齒輪化學成分進行檢驗，結果符合EN10084—2008《滲碳鋼交貨技術條件》要求。檢測結果見表1。

1.3硬度及金相檢驗

齒輪滲碳層深度約為1.58mm，齒面平均硬度為725HV1，芯部硬度為43.0HRC，均符合圖樣技術要求。

按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》中B法檢驗評定，各類非金屬夾雜物均優于0.5級;按GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》檢驗評定，晶粒度為6.5級。

齒輪滲碳層組織為極少量細顆粒狀碳化物+粗針狀馬氏體+較多的殘留奧氏體，按GB/T25744—2010《鋼中滲碳淬火回火金相檢驗》評定為碳化物1級、馬氏體5級、殘留奧氏體6級，不滿足GB/T3480.5—2008《直齒輪和斜齒輪承載能力計算第5部分：材料的強度和質量》中對滲碳鋼表層組織及殘留奧氏體含量的要求。

在裂紋源處切取試樣，打磨拋光后經4%硝酸酒精腐蝕液腐蝕，用顯微鏡觀察，鍵槽表面存在一層白亮層，鍵槽表面加工粗糙，根部呈不規則形態，并有顯微裂紋存在，顯微裂紋兩側無增碳、脫碳現象。

二、分析與討論

對減速機齒輪進行檢測，其材料成分、金相組織、表面硬度符合技術要求，導致齒部出現開裂的主要因素為：（1）淬硬層深超過技術要求，齒輪經滲碳以后，其齒部是含碳量較高的過共析鋼，芯部仍然是亞共析鋼，在油中進行淬火冷卻時，表層首先冷卻，芯部次之，當溫度冷卻到馬氏體轉變溫度Ms時，表層首先轉變成馬氏體，體積增加，表層材料有向外“膨脹”的趨勢，這會對芯部材料形成“拖拽”作用，導致芯部受到拉應力，此時表層材料受到向內的壓應力。芯部材料含碳量較低而有較高的馬氏體轉變終了溫度Mf，隨著冷卻的進行，當溫度低于芯部馬氏體轉變終了溫度Mf時，芯部組織停止轉變，表層材料含碳量較高，有較低的馬氏體轉變終了溫度Mf，在室溫下會繼續轉變，這會導致表層向外漲大的趨勢會一直進行，芯部受到的拉力會逐漸增加;齒部有效硬化層越深，這種應力效應越明顯，這是導致齒輪從芯部開裂的第1個原因。（2）經掃描電鏡分析，裂紋源位于齒的內部，且有較多的O、Al、Ca、Na等元素組成的非金屬夾雜物，這些夾雜物硬度較高，比如Al₂O₃，其莫氏硬度為9，幾乎沒有塑性;這些硬度較高的非金屬夾雜物會破壞基體組織的一致性和連續性，在受到外力作用時，高硬度的夾雜物顆粒不產生變形，其顆粒尖角會對基體組織產生強烈的“切割”作用，這會在夾雜物周圍產生高度的應力集中形成裂紋源，再加上內部受到較大的拉應力，導致裂紋從內部擴展，這是開裂的第2個原因。

綜上可知，齒輪開裂原因首先是有效硬化層過深，其次是材料芯部有夾雜物。經過對熱處理工藝進行追溯，發現齒輪進行了混裝拼爐，導致滲碳時間過長，改進措施是不允許拼爐混裝。另外，發現供應商為了降低成本，把本該用特鋼的材料換成普鋼材料，導致夾雜物增多，造成早期失效，改進措施是指定特鋼公司，不允許隨意更換材料。經過采取上述措施，改進后齒輪的滲碳層組織為2級M針+A殘，硬化層深度為1.9mm，夾雜物評定為1.5級，均符合技術要求，徹底解決了齒輪的開裂問題。

三、結論及建議

由于齒輪線切割加工走速過快，導致鍵槽表面加工粗糙，過渡圓角形狀不規則，以及加工表面產生了線切割白亮層，因此加劇了鍵槽部位的應力集中情況，在鍵槽部位形成裂紋源。裂紋在磨削應力及工件殘余應力的作用下，逐漸擴展至開裂。建議在滲碳前銑鍵槽，若滲碳后使用線切割加工方式開鍵槽，應控制好線切割加工走絲速度，保證鍵槽根部過渡圓角形狀，提高鍵槽加工質量;若無法避免線切割產生的白亮層，應在線切割后人工將其打磨去除。

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作者簡介：

胡敏建，1985.2.10，男，漢族，供職單位：陜西龍門鋼鐵有限責任公司，主要從事減速機 ，帶輸送機，燒結機專業備件維護，采購工作。