典型大型齒輪失效分析

陳永道

（南京高精傳動設備制造集團有限公司，江蘇南京 210012）

0 引言

某公司生產的第二級齒輪（M20，Z84，材質20CrNi2Mo），鍛造后進行正火處理，齒面經920℃滲碳—660℃高回—820℃淬火—低回（200℃、230℃各一次）—噴丸—精車—磨內孔—磨齒，要求有效硬化（HV500）層深≥4.0 mm，淬火硬度要求HRC 54－58，該齒輪磨齒后在雙聯齒的左旋齒的部分齒面（相鄰的6個齒）發現有磨削裂紋。由于該零件熱烘套輸出軸后才進行磨齒的，發現僅6個齒面靠近齒根處有磨削裂紋。當初第一時間拖回熱處理分廠進行低溫回火去除應力，接著采用指狀砂輪打磨裂紋，發現裂紋深度近1 mm。本著對用戶負責的態度，該公司最后決定將該齒輪報廢處理。為了查清楚該典型大型齒輪產生磨削裂紋的真正原因，現取樣對該齒輪進行失效分析。

1 磨削裂紋的形態及產生原因分析

裂紋的形態為垂直于磨削方向且靠近齒根處，裂紋高度約為2－5 mm，如圖1所示。

圖1 裂紋出現的位置及形態

裂紋的數量分布情況（圖2），僅有6個左旋齒出現裂紋，有裂紋的左旋齒（從左向右）每個齒上的裂紋數量依次為2－1－4－6－8－5，而右旋齒的所有齒都沒有出現磨削裂紋。

圖2 裂紋的數量分布情況

此種裂紋屬于典型的磨削拉應力裂紋，產生該種拉應力裂紋除了跟磨削深度、進給量、磨削冷卻液、砂輪和工作臺轉速、砂輪目數、砂輪的硬度、砂輪的修整等齒面磨削直接相關的因素有關外，與原材料的化學成分、非金屬夾雜物、原材料的預處理狀態，以及滲碳質量（滲碳層K的大小/數量/分布/形態、Ar含量、M震的大小/形態、低溫回火組織和低回后的硬度、強化噴丸的效果）等綜合因素都可能有關。

2 代表性試樣的選取及檢測分析

2.1 取樣及試樣編號說明

為了取下與報廢的齒輪套裝的輸出軸，該公司對此報廢的齒輪進行了切割，如圖3和圖4。其中圖3所示的半個齒輪其齒面均沒有發現磨削裂紋，圖4所示的半個齒輪中的空缺部位是線切割取A1齒形樣（無磨削裂紋處取樣）、B1齒形樣（有磨削裂紋處取樣）的部位，取樣照片如圖5。

圖3 齒面均沒有磨削裂紋的半個齒輪

圖6為取下的小試樣A1，B1，A1試樣的拋光檢測面是標識“A1”齒面的右側面，其拋光面的左側齒面是工作面，右側齒面是非工作面;B1試樣的拋光檢測面是標識“B1”齒面的左側面，其拋光面的右側齒面是工作面，左側齒面是非工作面。

圖6 試樣A1，B1的拋光檢測面

2.2 化學成分分析

齒輪化學成分分析:如表1，結果符合 JB/T6395－1992技術要求。

表1 幾種常用水潤滑軸承材料性能比較 %

2.3 鋼中非金屬夾雜物檢查（圖7～圖14）

從齒部取樣磨制拋光后，按照GB/T10561－89《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》標準JK評級圖A法評定，A，B，C三類非金屬夾雜均為1級，D類夾雜為1.5級。

2.4 對試樣 A1，B1進行滲碳層組織的檢測

2.5 對齒形試樣A1，B1的硬度梯度檢測

圖15為A1，B1齒根試樣的硬度梯度比較。

圖15 A1，B1齒根試樣的硬度梯度比較

圖16為A1，B1齒形試樣工作面及非工作面硬度梯度比較。

圖16 A1，B1齒形試樣工作面及非工作面硬度梯度比較

2.6 滲碳層金相組織和硬度梯度數據分析

a）硬度梯度數據分析

總體看來，磨削后的該零件工作面和非工作面的硬度梯度均比較平緩，磨削后的齒面硬度均在HRC57－58。硬度雖然符合圖樣技術要求，但是為了給后續的磨削創造更佳的條件，可以在滲碳淬火工藝過程中，適當降低零件的齒面硬度［1］至HRC54－56。通過此A1，B1齒形試樣工作面及非工作面硬度梯度比較和A1，B1齒根試樣的硬度梯度比較可以看出:

1）根據圖15可以看出經磨削后A1齒形試樣所在的沒有出現磨削裂紋區域的工作面和非工作面的硬化層深均約在4.3 mm/HV500。據此可以得出在A1試樣所處的零件的上端面的漲大量比較均勻，沒有出現偏向齒的一側的不規則變形。

2）根據圖15可以看出經磨削后B1齒形試樣所在的出現磨削裂紋區域的工作面和非工作面的硬化層深分別為:4.1 mm/HV500、4.5 mm/HV500。據此可以得出在 B1試樣所處的發現磨削裂紋的零件的下端面的局部區域出現較大的偏向工作面一側的不規則變形。在磨削過程中若不能找到此畸變高點，就會造成局部磨削熱過高而產生磨削裂紋［1］。

3）通過圖16可以看出沒有出現磨削裂紋和出現磨削裂紋區域的齒根層深基本一致，約為3.2 mm/HV500，且齒根硬度大致相同，也表明淬火—低回后的強化噴丸效果也是大致相同的，即排除了噴丸效果異同的影響。

b）滲碳層金相組織分析

1）從取樣A1，B1磨削后的齒面和未經磨削的齒頂的金相組織來看，滲碳淬火后表面的Ar很少，基本上在1級左右;M也很少，基本上在1～2級。

2）從發現裂紋的打磨凹坑處（靠近齒根，磨削量很少）的金相照片來看，磨削前的M在2～3級，這說明淬火溫度的設定還可以再略低一些，可以將淬火溫度由820℃降至800℃。

3）從工作面和非工作面上K的等級差異，并接合齒頂部位K的等級來看，磨削前齒面的K基本上在2～3級。

3 結語

1）滲碳層硬度梯度分布平緩，磨齒后齒面的硬度和滲碳層深度滿足設計要求。

2）滲碳層組織合格，有磨削裂紋和沒有磨削裂紋處齒面的表層組織基本沒有差別。

3）零件經滲碳淬火后，其上下兩端面尤其是發現磨削裂紋的左旋齒局部區域可能出現了不規則變形，此不規則變形可能與鍛后的正火不充分或者不均勻有關。磨齒工在進行齒面磨削時，沒有找到此畸變高點，從而導致在此畸變高點附近的磨削切削量太大，且砂輪在靠近齒根處的線速度最大，切削熱得不到及時有效的散去，致使齒根處產生拉應力，出現磨削裂紋。為了更加有效的對該齒輪進行預處理以及給該齒輪滲碳層提供更多的殘余壓應力［2］，建議將滲碳前的預處理由正火處理改成調質處理。

4）滲碳淬火后的M雖然也符合熱處理標準，接合實際齒面硬度為HRC57－58（在技術要求的上限），可以將淬火溫度由820℃降至800℃［3］，從而將零件的齒面硬度降至技術要求的中限，給后續的磨削創造更佳的條件。

［1］王秀芹.如何防止滲碳淬火齒輪磨削裂紋的產生［J］.煤礦機械，2005（8）:75-76.

［2］王愛香.防止20CrMnMo鋼齒輪磨削裂紋熱處理工藝研究［J］.國外金屬熱處理，1999（2）:31-34.

［3］樊東黎.熱處理工程師手冊［M］.北京:機械工業出版社，1999.