工程機械變速箱齒輪斷齒失效分析

天同宏基集團股份有限公司 （山東 261200） 羅長平

濰柴動力股份有限公司 （山東 261069） 羅長增

某型號工程機械在使用過程中發生故障，拆解齒輪箱后發現有一傳動齒輪斷齒，其他零件未見異常。查閱相關技術文件后得知，此齒輪箱使用年限較短（1年左右），隨后進行失效分析，確定問題根源所在，以進行有效改善。

1. 試驗分析

（1）宏觀形貌觀察 傳動齒輪斷齒后的照片如圖1所示，斷口無銹蝕，從齒根處斷裂。

圖1 斷齒齒輪照片

（2）低倍試驗分析 對斷齒化學成分進行檢測，其成分含量符合20CrNi2Mo的元素含量要求。斷齒熱酸浸試驗，結果如表1所示，試驗結果表明，鍛件雖然合格，但致密度、均勻性較差。

表1 熱酸浸試驗結果

低倍新開斷口試驗表明，斷口為結晶狀+少量層狀，而通常層狀斷口與夾雜物有關。

（3）微觀組織結構分析 非金屬夾雜物按GB/T 10561－2005評定，結果如表2所示，A類夾雜物>3級，C類3.0級位于上限，表明純凈度差，不合格。

表2 非金屬夾雜物評定結果 （級）

組織、晶粒度分析結果如表3所示，齒輪組織為低碳馬氏體+貝氏體+鐵素體，屬淬火冷卻不足組織，晶粒度3.5～4.0級不合格。組織狀態不正常，有鐵素體出現表明，淬火冷卻速度偏低。

表3 組織、晶粒度分析結果

齒輪斷齒部位，在拋光狀態下可見單側節圓附近有大量沿晶裂紋，寬窄不一，另一側無裂紋。

齒輪金相組織等檢測結果如表4所示，馬氏體及殘留奧氏體組織為不合格，齒輪滲碳淬火溫度偏高，心部硬度偏低。齒輪部位馬氏體及殘留奧氏體組織超級，屬不合格，表明淬火溫度偏高。齒表面硬度52～56HRC，硬度偏低，滲碳淬火質量欠佳。

表4 齒輪金相組織檢測

圖2 金相組織照片

2. 討論與分析

（1）齒輪化學成分符合20CrNi2Mo材質要求，微觀非金屬夾雜物檢測不合格，鍛件純凈度、致密度、均勻性差，說明宏觀低倍層狀斷口與夾雜物有關。

（2）齒輪組織為低碳馬氏體+貝氏體+鐵素體，晶粒度3.5～4.0級不合格；齒輪部位馬氏體及殘留奧氏體組織超級，齒輪表面硬度低，心部存在較多的游離鐵素體。輪齒的塑性變形總是齒輪接觸區域承載的應力超過金屬屈服強度的結果，最終導致齒輪在過應力下產生波紋狀塑性變形及輕度毛刺形飛邊。波紋狀變形產生在表面硬化的齒輪上，不一定立即失效，而是代表過載的跡象，作為將要失效的警告，應當及早發現。

（3）齒輪斷齒的裂紋源萌生于齒根部位，屬于高應力載荷脆裂，開裂原因系鍛件純凈度差、組織不良，導致材料力學性能指標不足，一旦超過材料強度極限，裂紋即萌生、擴展，最終導致斷齒。

綜合分析認為，輪齒一次性過載折斷失效的主要原因是齒輪材料滲碳淬火質量欠佳和過應力兩者共同作用產生的。過應力來源為單純的沖擊載荷或很少有的高水平載荷。可能的原因有：使用過程中突然的沖擊過載；較大外來物質進入配對的齒輪軸之間；齒輪加工產生的周節累積誤差以及外輪廓齒形偏差，導致嚙合時產生沖擊或異常振動等。

3. 改進措施與建議

（1）加強鑄造和鍛造工序的質量控制，降低非金屬夾雜物含量。

（2）根據工件材料以及外形尺寸選擇合理的熱處理工藝，確保滲碳淬火組織滿足技術要求，采取措施減少滲碳淬火過程中的變形，減小由于變形引起的后期齒輪加工過程中的偏磨等現象引起的齒輪表面硬度降低。

（3）對齒輪變速箱進行定期保養與維護，延長使用壽命。