礦用減速器錐齒輪開裂原因分析

袁岳東，王力曉，陳啟東，劉鑫，沈益晨

1.常熟天地煤機裝備有限公司 江蘇常熟 215500

2.蘇州大學機電工程學院 江蘇蘇州 215000

3.常熟理工學院機械工程學院 江蘇常熟 215500

1 序言

18CrNiMo7-6屬于低碳低合金滲碳鋼，主要應用于制造風電變速箱齒輪、重載火車的電力機車、大模數齒輪、重載齒輪等零部件[1，2]，在生產與使用過程中齒輪軸容易發生開裂現象。張澤春[3]研究了18CrNiMo7-6鋼齒輪軸原材料在冶煉過程中，保護渣混入鋼液；材料中脆性夾雜物破壞了材料的連續性，形成缺口和應力集中，在殘余應力的作用下，齒輪軸發生延遲開裂。周吉生[4]研究了減速機齒輪開裂的具體原因是由于齒輪的有效硬化層深度超過了技術要求，導致心部受到較大的拉應力。其裂紋源位于斷口心部，并且有較多的 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，容易割裂材料的基體，受到外力時容易產生應力集中形成裂紋源。本文從宏觀形貌、成分、性能等方面進行研究分析，并根據分析總結，提出解決方案。

2 錐齒輪失效背景

齒輪加工流程：下料→精加工→磨制→滲碳淬火→清洗→回火。后發現齒輪表面呈大弧形外周弧裂，齒輪樣品裂紋整體 1/3 位于齒輪靠上凸面平面，約 2/3 位于外弧面，且由表象看沿外弧周面相鄰約100°分別有兩處斷開，整體紋路剛直，呈淬火應力裂紋特點。裂紋截面開裂深度均自距表面17mm和距表面45mm向內裂了30mm左右，即應力造成開裂前，在成品齒輪外型中其聚集程度是均勻的，釋放為瞬間完成。開裂齒輪宏觀形貌如圖1所示。

圖1 開裂齒輪宏觀形貌

3 原因分析

3.1 樣品選取

因不得觸及裂紋源，且硬度測試在60HRC左右，普通鋸切方式無法獲取試樣，故取樣選定線切割取自裂紋尾部的結合部（見圖2），不傷及裂紋根源檢測。

3.2 化學成分檢測

齒輪的材料為18CrNiMo7-6鋼，將所取的樣品經斯派克SPECTRMAXx火花直讀光譜儀對主要元素進行檢驗，樣品實測分析與冶煉記錄成分見表1。從表1可看出，齒輪化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的規定要求。

表1 開裂齒輪化學成分（質量分數） (%)

3.3 殘余氣體與硬度檢測

（1）殘余氣體檢測 采用Hon-2000氣體分析儀對鍛件氣體含量進行檢測，檢測樣品的分析數據與出廠前數據結果對比見表2。從表2可看出，氣體含量檢測最終數據顯示誤差不大，符合氣體檢測要求。

表2 鍛件氣體含量 （×10-6）

（2）硬度檢測 硬度檢測樣品如圖3所示，試樣依據GB/T 230.1—2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法》制樣，齒輪硬度檢測結果見表3，符合設計硬度要求。

圖3 硬度檢測樣品

表3 齒輪硬度檢測 （HRC）

3.4 磁粉檢測

采用C D X—I I I型多用磁粉檢測儀，按J B/T 5000.15—2007《重型機械通用技術條件 第15部分：鍛鋼件無損檢測》規定，對齒輪表面進行磁粉檢測，經360°檢測，近表面及表面未發現相關磁痕，無發紋、白點、鍛造裂紋存在。

3.5 金相組織

采用1 0 0×光學顯微鏡觀察，依據G B/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物評定（見圖4）。夾雜物狀態如圖4a、b所示。同時試樣采用100×光學顯微鏡觀察顯微組織。圖4c所示為裂紋附近正常基體組織，圖4d所示為失效部位裂紋區域腐蝕實測組織，視場內無網狀或異常碳化物聚集現象。

圖4 夾雜物評定

3.6 現場檢測

基體部分夾雜物，檢測范圍為全視場，夾雜物情況A類0.5級、B類0.5級、C類0.5級、D類0.5級、Ds類無；檢測隨爐樣件及失效零件未裂紋基體位置殘留奧氏體組織如圖5所示，失效件表面殘留奧氏體6級，隨爐樣品表面殘留奧氏體6級，均有較嚴重的堆積現象。

圖5 失效件與隨爐件的金相組織

原始記錄顯示，1 8 C r N i M o 7-6 鋼工件與20CrMnTi鋼工件混裝，以20CrMnTi鋼工藝為主，該工藝執行細節要求：滲碳保溫溫度925℃，滲碳淬火后需爐冷瀝油10min，后經轉爐沖洗，65℃溫水沖洗45min；轉爐回火按工藝設定速率升溫至170℃充分回火。但記錄顯示瀝油時長為4553s，由復驗情況和原始記錄可知，該失效零件的成分復驗與熔煉爐號成分吻合，有益元素均在中上限；同時實測均發現滲碳工件表層及隨爐樣品產生并聚集了一定量的殘留奧氏體；又按原始記錄測算，回火的回爐時間將超過2h才開始回火。

4 結論及建議

根據宏觀分析、化學分析、裂紋形貌分析與金相組織分析，可得出以下結論。

1）未觸及裂紋源的前提下，失效齒輪化學成分有益元素控制合格；殘余氣體含量控制良好；宏觀磁粉檢測，未發現齒輪材料淺表層裂紋存在；微觀觀察無夾雜物存在，裂紋兩側無脫碳現象。由此可見，原材料不存在致裂缺陷。

2）未觸及裂紋源的前提下，兩處裂紋附近顯微組織較均勻，硬度經表面及內部截面檢測基本符合生產工藝要求。

3）原始記錄顯示信息與實測殘留奧氏體情況相吻合，殘留奧氏體超標嚴重，易造成齒輪強度降低、尺寸超差或局部微裂紋現象。

因此，在裂紋多點局部檢測基礎上，可推斷原材料無致裂缺陷。殘留奧氏體因組織不穩定，在回火和放置過程中繼續轉變，過多的殘留奧氏體直接影響齒輪表面壓應力分布，同時生產加工過程中，存在操作誤區，操作不當導致產生裂紋源點，超過材料自身強度，出爐后在應力源點位置迅速釋放，環表面組織應力集中區域致瞬間開裂。

最終建議：齒輪在滲碳直接淬火后，增加冰冷處理來減少殘留奧氏體；規范配爐生產，盡可能將同材質牌號、合金系數相近的滲碳齒輪同爐；齒輪斷裂原因有人為因素存在，因此要糾正人為操作，指導相關人員正確生產，符合工藝流程。