減速機(jī)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(nèi)的齒輪（或蝸桿、齒輪-蝸桿）傳動(dòng)所組成的獨(dú)立部件，一般在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程機(jī)械及石化等行業(yè)有極為廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：齒輪;硬化層深;夾雜物;應(yīng)力集中

引言

某廠走行減速機(jī)用齒輪磨齒后，多件在齒輪內(nèi)孔鍵槽孔壁圓周方向及齒輪端面發(fā)現(xiàn)裂紋，齒輪材質(zhì)為18CrNiMo7-6，生產(chǎn)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(chǎn)生原因，進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)與分析。

一、試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1宏觀檢查

齒輪外圓周、內(nèi)孔鍵槽孔壁圓周方向及端面均發(fā)現(xiàn)較長裂紋，部分端面裂紋兩側(cè)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(xì)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(yīng)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(xué)成分檢驗(yàn)

用ICP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對齒輪化學(xué)成分進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果符合EN10084—2008《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》要求。檢測結(jié)果見表1。

1.3硬度及金相檢驗(yàn)

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(shù)要求。

按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中B法檢驗(yàn)評(píng)定，各類非金屬夾雜物均優(yōu)于0.5級(jí);按GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》檢驗(yàn)評(píng)定，晶粒度為6.5級(jí)。

齒輪滲碳層組織為極少量細(xì)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(yàn)》評(píng)定為碳化物1級(jí)、馬氏體5級(jí)、殘留奧氏體6級(jí)，不滿足GB/T3480.5—2008《直齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算第5部分：材料的強(qiáng)度和質(zhì)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(jīng)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(guī)則形態(tài)，并有顯微裂紋存在，顯微裂紋兩側(cè)無增碳、脫碳現(xiàn)象。

二、分析與討論

對減速機(jī)齒輪進(jìn)行檢測，其材料成分、金相組織、表面硬度符合技術(shù)要求，導(dǎo)致齒部出現(xiàn)開裂的主要因素為：（1）淬硬層深超過技術(shù)要求，齒輪經(jīng)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(jìn)行淬火冷卻時(shí)，表層首先冷卻，芯部次之，當(dāng)溫度冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms時(shí)，表層首先轉(zhuǎn)變成馬氏體，體積增加，表層材料有向外“膨脹”的趨勢，這會(huì)對芯部材料形成“拖拽”作用，導(dǎo)致芯部受到拉應(yīng)力，此時(shí)表層材料受到向內(nèi)的壓應(yīng)力。芯部材料含碳量較低而有較高的馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf，隨著冷卻的進(jìn)行，當(dāng)溫度低于芯部馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf時(shí)，芯部組織停止轉(zhuǎn)變，表層材料含碳量較高，有較低的馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf，在室溫下會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)變，這會(huì)導(dǎo)致表層向外漲大的趨勢會(huì)一直進(jìn)行，芯部受到的拉力會(huì)逐漸增加;齒部有效硬化層越深，這種應(yīng)力效應(yīng)越明顯，這是導(dǎo)致齒輪從芯部開裂的第1個(gè)原因。（2）經(jīng)掃描電鏡分析，裂紋源位于齒的內(nèi)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(huì)破壞基體組織的一致性和連續(xù)性，在受到外力作用時(shí)，高硬度的夾雜物顆粒不產(chǎn)生變形，其顆粒尖角會(huì)對基體組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的“切割”作用，這會(huì)在夾雜物周圍產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中形成裂紋源，再加上內(nèi)部受到較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋從內(nèi)部擴(kuò)展，這是開裂的第2個(gè)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(jīng)過對熱處理工藝進(jìn)行追溯，發(fā)現(xiàn)齒輪進(jìn)行了混裝拼爐，導(dǎo)致滲碳時(shí)間過長，改進(jìn)措施是不允許拼爐混裝。另外，發(fā)現(xiàn)供應(yīng)商為了降低成本，把本該用特鋼的材料換成普鋼材料，導(dǎo)致夾雜物增多，造成早期失效，改進(jìn)措施是指定特鋼公司，不允許隨意更換材料。經(jīng)過采取上述措施，改進(jìn)后齒輪的滲碳層組織為2級(jí)M針+A殘，硬化層深度為1.9mm，夾雜物評(píng)定為1.5級(jí)，均符合技術(shù)要求，徹底解決了齒輪的開裂問題。

三、結(jié)論及建議

由于齒輪線切割加工走速過快，導(dǎo)致鍵槽表面加工粗糙，過渡圓角形狀不規(guī)則，以及加工表面產(chǎn)生了線切割白亮層，因此加劇了鍵槽部位的應(yīng)力集中情況，在鍵槽部位形成裂紋源。裂紋在磨削應(yīng)力及工件殘余應(yīng)力的作用下，逐漸擴(kuò)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(yīng)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(zhì)量;若無法避免線切割產(chǎn)生的白亮層，應(yīng)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(zé)任公司，主要從事減速機(jī) ，帶輸送機(jī)，燒結(jié)機(jī)專業(yè)備件維護(hù)，采購工作。