斜齒輪斷裂分析

成振坤，張亞岐（.中國重汽技術中心發(fā)展中心，山東 濟南 5000；.東風汽車公司技術中心產品工程部，湖北 武漢 430058）

斜齒輪斷裂分析

成振坤1，張亞岐2
（1.中國重汽技術中心發(fā)展中心，山東 濟南 250002；2.東風汽車公司技術中心產品工程部，湖北 武漢 430058）

斜齒圓柱齒輪傳動由于具有嚙合性能好、傳動平穩(wěn)、噪聲較小、齒輪承載能力強等特點，廣泛應用于大型成套工業(yè)設備中。討論了某掘進機減速箱中的斜齒輪，掘進機在工作過程中減速箱里斜齒輪上有些齒已經斷裂，對斷裂的齒輪齒根部的裂紋進行了化學成分、力學性能分析，并進行了維硬度檢測、微觀檢測。通過對檢測結果進行分析，找出了產生缺陷的微觀機制和影響因素。

斜齒輪；滲碳淬火；有效硬化層硬度；深度；高應力低周疲勞斷裂

0 引言

齒輪是大型成套工業(yè)設備中重要的基礎部件之一。斜齒傳動具有嚙合性能好、傳動過程平穩(wěn)、噪聲較小、重合度比較大、輪齒之間的載荷相對較低等優(yōu)點，從而提高了齒輪的承受壓力的能力，使斜齒輪傳動在生活及生產領域有很重要的應用［1-2］。本文討論一種斜齒輪，它是某掘進機內減速箱中的斜齒輪，該掘進機在工作4個月（估計累計工作1 000h）時，減速箱里發(fā)出異常的聲音，隨后對減速箱進行拆卸檢查，發(fā)現斜齒輪上有些齒已經斷裂，有些齒因磕碰造成不同程度的損傷；在齒根部看到多處存在裂紋。本文對該缺陷進行分析。

斜齒輪的材料：斜齒輪材質為20CrNi4A，加工方法為鍛造、車銑、磨光，齒輪表面經滲碳、淬火+低溫回火處理［3-5］。

1 對斜齒輪的成分及各種性能檢測

1.1 宏觀檢查

損壞的斜齒輪外形如圖1所示，斜齒輪上連續(xù)5個齒已經斷裂，其他齒也有單個斷裂現象，斷裂大多發(fā)生在齒根部；多處齒輪最先著力側面的齒根部存在裂紋，也有一些裂紋在齒輪另一側齒根部形成，并與著力面齒根裂紋交匯，如圖2所示。觀察已斷裂齒的斷裂面，斷裂面上有裂紋擴展不同階段形成的臺階，并隱約可見由該臺階一側向另一臺階發(fā)展的推進弧線，如圖3所示。斷口形貌表明齒輪為高應力低周疲勞斷裂。

圖1 斜齒輪外形

圖2 著力面齒根裂紋交匯

圖3 斷口形貌疲勞斷裂

1.2 化學成分

在斜齒輪中心部位檢測化學成分，結果如表1所示。

表1 化學成分分析結果

1.3 力學性能檢測

在斜齒輪中心部位取樣進行力學性能檢測，結果如表2所示。

表2 學性能檢測結果

1.4 維硬度檢測

在斜齒輪橫截面上，沿齒輪邊緣每間隔0.1 mm向內進行滲碳淬火有效硬化層硬度及深度檢測，檢測結果如表3所示。

表3 碳淬火有效硬化層硬度及深度鹼測結果

1.5 微觀檢測

在出現裂紋的齒根部切取試樣制備后，用金相顯微鏡觀察，受力一側齒根部裂紋比較嚴重，裂紋口部呈喇叭口形，形貌如圖4所示；裂紋由表面向內部呈鋸齒狀擴展，并有多處分叉裂紋產生，分支裂紋較纖細，如圖5所示。齒根另一側裂紋口部垂直齒根表面，向內部擴展，其裂紋形狀平直，尾部纖細。最終齒根兩側裂紋延伸匯集在一處，合并成一條裂紋延伸心部。試樣經浸蝕后觀察，所有裂紋兩側均無脫碳現象［3-6］。

試樣經過5％硝酸酒精溶液浸蝕，低倍下可以看到滲碳硬化層輪廓及齒部熱處理后與基體出現不同的組織界面，如圖6所示。用金相顯微鏡觀察，齒廓部位滲碳硬化層組織為：回火馬氏體+少量碳化物+部分殘余奧氏體；齒根部位組織為：碳濃度較高的回火索氏體，部分碳化物呈網狀分布，如圖7所示；齒上部區(qū)域組織為：回火索氏體+少量貝氏體；基體（心部）組織為：索氏體。

基體非金屬夾雜物檢測：A0.5eB1.0eC0D1.0e（按GB/Tl0561-89評定）。

圖4 裂紋口部呈喇叭口微觀形貌

圖5 分支裂紋較纖細微觀形貌

圖6 低倍下可以看到滲碳硬層輪廓及齒部熱處理后與基體出現不同的組織

1.6 斷口微觀分析

在斷裂處切取試樣進行AMRAY-1000B掃描電鏡觀察，斷裂起源于齒根部，在齒根部有兩條裂紋向內擴展，裂紋呈沿晶斷裂如圖8、圖9所示。裂紋擴展區(qū)清晰可見疲勞擴展條紋的微觀形貌，如圖10所示。

圖8 斷裂源形貌

圖9 是圖8的局部放大

圖10 裂紋與擴展疲勞條紋

2 檢測結果及分析

（1）齒輪化學成分分析結果表明，符合材料的技術要求。

（2）斜齒輪力學性能檢測后，材料的屈服強度和抗拉強度明顯低于設計要求。

（3）斜齒輪有效硬化層深度為1.0mm，技術要求為1.5mm～1.8mm，沒有達到技術要求；齒面檢測后的硬度為55HRC，技術要求為58～62HRC，接近技術要求下限。

（4）斜齒輪心部硬度為27HRC，技術要求為36～45HRC，也沒有達到技術要求，從斜齒輪母材顯微組織分析，沒有達到預期的熱處理效果。

（5）通過對斜齒輪顯微組織檢測，該齒輪齒根部硬化層過淺，并出現網狀分布的碳化物。齒輪的工作狀態(tài)要求表面硬度較高、耐磨，心部硬度相對較低、韌性較好。通常情況，齒輪表面一般采用滲碳淬火+低溫回火處理后使用。現該齒輪的表面使用狀態(tài)與理論要求的滲碳淬火表面處理使用狀態(tài)不相符。由于工藝上不合理，使其疲勞強度降低，齒輪在承受工作應力時，過早地在齒根處萌生裂紋；該斜齒輪毛坯材料熱處理效果不佳，材料的強度與技術要求相差甚遠，增加了裂紋擴展的速率，降低了齒輪有效的使用壽命，導致齒輪提前失效斷裂。

（6）從斜齒輪斷裂的位置看，疲勞起源于齒輪的最先著力側面齒根部的應力集中處。從微觀斷口，有明顯的三個區(qū)域即裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)，屬典型的疲勞斷裂。斷口貝紋線比較扁平，隨著疲勞裂紋的擴展，因斜齒輪的最大正應力平面發(fā)生變化，而使裂紋平面發(fā)生明顯的突然轉折，并在新的裂紋平面繼續(xù)擴展，留下了臺階，該齒體斷裂。由二次源向擴展的疲勞區(qū)所構成。由于裂紋擴展至斜齒頂部，齒體一部分先期斷裂，然后從二次源開始繼續(xù)擴展，最后當裂紋達到臨界尺寸時，齒體瞬時破裂。

根據上述斷口分析結果及斷裂形貌，認為斜齒輪屬高應力低周疲勞斷裂。

3 結論

該齒輪滲碳、熱處理是造成早期疲勞斷齒的主要原因。金相觀察表明，齒根部有位裂紋存在。質料指出，表面淺層裂紋依次由貝殼狀向網絡狀、梳狀裂紋過渡（對應于能量大到小）。斷口掃描電鏡證明該齒根表面存在微裂紋。此種裂紋是齒輪斷裂的禍根。

［1］濮良貴，紀明剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［2］楊春永，周敬東，鳳文成，等.斜齒輪各參數的精確測定［J］.機械工人：冷加工，2000（11）；19-20.

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The analysis of the helical gears breaking

Cheng Zhenkun1，Zhang Yaqi2
（1.China National Heavy Duty Truck Group Co.，Ltd.，Technology Center，Jinan 250002，China；2.Dongfeng Motor Corp.Technology Center，Wuhan 430058，China）

Helical cylindrical gear transmission is widely used in large industrial equipments for its good meshing performance，smooth transmission，and strong gear bearing capacity.The root crack of the helical gears was analyzed which were broken in the gear box when the excavator was in the course of work.The flaw micromechanism and affecting factors were found out accordingly.

the helical gears；carburizing and quenching；hardness of effective hardening layer hardness；depth；high strain low cycle fatigue fracture

TG162.73

A

1674-7720（2015）20-0004-02

成振坤，張亞岐.斜齒輪斷裂分析［J］.微型機與應用，2015，34（20）：4-5，11.

2015-06-24）

成振坤（1987-），男，碩士，工程師，主要研究方向：汽車排氣系統(tǒng)設計與尾氣流體仿真分析。

張亞岐（1986-），通信作者，男，工程師，主要研究方向：試制技術與工藝研究。E-mail：zyq211985@163.com。