減速機行星齒輪的斷齒分析

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某減速機行星齒輪在使用中出現斷齒事故，該行星齒輪的材質為20MnCr5，熱處理工藝為滲碳+淬火+回火。本文運用金相檢驗等方法綜合分析行星齒輪失效斷齒的原因，并提出預防改進措施。

1 理化檢驗

1.1 斷口形貌

（1）宏觀形貌 該行星齒輪的失效形式主要為一個輪齒沿著齒根完全斷裂，另外在斷裂輪齒附近有兩輪齒的齒頂出現小塊崩裂現象，這可能是斷裂輪齒失效后擠壓碰撞造成的。失效行星齒輪宏觀形貌如圖1所示。其余輪齒表面均完好，接觸區磨損正常，沒有明顯的機械加工缺陷。檢查齒面、齒根，未發現明顯的機械加工缺陷，齒根未見凸臺，齒部表面粗糙度符合技術要求。

（2）斷口形貌特征及斷裂模式 經觀察，失效輪齒沿齒根部脆斷，斷口宏觀上沒有裂紋源，斷口附近無明顯的變形，斷面結構較粗，由此可見，該斷裂模式為一次性快速斷裂，而非疲勞斷裂。斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖1 行星齒輪宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 磁粉檢測

對失效行星齒輪進行磁粉檢測，在其工作面與非工作面區域均未發現裂紋。

1.3 原材料質量檢測

（1）化學成分 原材料為20MnCr5，檢測結果見表1。根據標準DIN EN 10084—2008《滲碳鋼技術交貨條件》要求及允許偏差，wMn比要求低0.233%，其余元素符合要求。

表1 行星齒輪本體化學成分（質量分數） （%）

（2）非金屬夾雜物 根據GB/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》標準對非金屬夾雜物進行檢測與評定，結果見表2和圖3。

表2 非金屬夾雜物檢測結果 （級）

1.4 熱處理質量檢測

截取斷裂輪齒附近3連齒，沿齒寬方向中間切開作為檢測面，如圖4所示。

圖3 非金屬夾雜物（500×）

圖4 本體截取樣品形貌

（1）表面組織 本體截取樣品的檢測面，經磨制拋光后檢測，節圓處因已磨齒而無晶界內氧化，齒根處晶界內氧化為12μm，如圖5a所示。用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，按照JB/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》檢測表面金相組織，結果見表3，金相組織如圖5b、圖5c所示。

表3 表面組織檢測結果

圖5 本體金相組織（500×）

從以上檢測結果可以看出，失效行星齒輪的表面熱處理質量較好，沒有異常。但是次表面馬氏體組織比表面粗大，馬氏體針局部較長，如圖6所示。

圖6 次表面組織（500×）

（2）硬化層深檢測 該行星齒輪的法向模數mn為3，按AGMA 2001防止彎曲失效的最小硬化層深度公式（單位：mm）計算，得出防止該行星齒輪彎曲失效的最小硬化層深度為0.484mm，在斷齒相鄰工作面節圓處測得硬化層深度為0.84mm，齒根0.83mm，硬化層檢測結果見表4。由以上數據可以看出，失效齒輪硬化層深符合使用要求。

表4 硬化層檢測結果

（3）心部組織及硬度檢測 失效齒輪的心部組織為板條馬氏體，板條馬氏體束比較粗大，如圖7所示。心部硬度為41～43HRC，檢測位置為輪齒的中心線與齒根圓相交處，因此可以推斷出其心部抗拉強度較高。僅從力學性能分析，該行星齒輪不存在過載斷齒的可能。

圖7 心部組織（500×）

（4）實際晶粒度檢測 經過飽和苦味酸水溶液浸蝕后，按照標準GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》對齒輪實際晶粒度進行檢測，表面晶粒度為9.5級，次表面及心部為2.0～9.5級，出現混晶，如圖8所示。

圖8 晶粒度

1.5 殘余應力檢測

對失效齒輪的齒面及齒根進行殘余應力檢測，以判定是否因為殘余拉應力，與外加工作應力疊加，加大齒根的應力峰值而導致輪齒的早期失效。表5為殘余應力檢測結果。

表5 殘余應力檢測結果 （MPa）

1.6 齒輪嚙合狀況

對失效齒輪的工作面進行觀察，接觸痕跡光滑，嚙合狀況良好，沒有點蝕和剝落等異常情況。

2 結果分析與討論

（1）磁粉檢測 行星齒輪工作面與非工作面區域均未發現裂紋，說明此次斷齒事故不是因表面裂紋形成而導致的疲勞斷裂。

（2）原材料質量 化學成分中錳含量低于要求值，會降低材料的淬透性，從而影響熱處理層深，但該輪齒熱處理后硬化層深滿足要求，故輪齒的斷裂與此無直接關系。

非金屬夾雜物A類硫化物相對較多，且局部集中，夾雜物的存在破壞了金屬基體的連續性，對強度影響較小，但對鋼的韌性危害較大，會使韌性降低。夾雜物的存在易造成應力集中，促進疲勞裂紋的產生，并在一定條件下擴展，從而加速疲勞破壞的過程[1]。由于該斷裂模式為一次性快速斷裂，而非疲勞斷裂，所以此次斷齒與非金屬夾雜物無直接關系，但會存在潛在失效風險。

（3）熱處理質量 失效行星齒輪的表面熱處理質量較好，沒有異常。但是次表面和心部馬氏體組織局部較粗大，馬氏體針較長，馬氏體粗大容易在次生及初生馬氏體間形成微裂紋，降低表面沖擊韌度。

齒輪次表面及心部實際晶粒度為2.0～9.5級，出現混晶，這與局部馬氏體粗大相符。混晶的存在大大降低了齒輪的強韌性，一旦遇到強烈沖擊，將出現瞬時斷裂，從而使齒輪早期失效[2]。

為了尋找混晶產生的原因，先將斷齒混晶試塊進行860℃保溫2h后空冷，正火后得到的組織為較均勻的鐵素體+珠光體的平衡組織（見圖9a）；然后加熱到930℃保溫5h水淬，用飽和苦味酸水溶液腐蝕后晶粒度8.5級（見圖9b），說明鋼錠為本質細晶粒鋼。由此說明，混晶的產生是因鋼錠鍛造完成后未進行細化晶粒的正火或正火不充分導致產品熱處理后組織遺傳而造成的。鍛造后正火可細化晶粒，獲得比較均勻的組織和性能，不僅可為后續熱處理工藝提供適宜的組織狀態，還可消除粗大組織等某些熱處理缺陷[3]。因此，為了改善金屬材料的切削加工性能、熱處理工藝性能，消除某些缺陷，建議進行充分適宜的正火處理。

圖9 斷齒混晶試塊金相組織

（4）應力角度 從應力角度分析，完好輪齒齒面的殘余壓應力比斷裂輪齒相鄰齒面高出700MPa，這可能是因斷裂輪齒在失效時碰撞相鄰輪齒齒面造成的。完好輪齒齒根是壓應力，與斷裂輪齒左右齒根數據差不多，不存在拉應力與外加工應力疊加而導致斷齒的情況。但是，該行星齒輪齒根的殘余壓應力較小，為斷裂事故提供了一個不利條件，使齒輪失效的概率大大提高。

（5）齒輪嚙合狀況 齒輪嚙合狀況良好，說明無偏載、嚙合接觸面積不足等嚙合失效特征。

3 結論及改進措施

1）該行星齒輪的斷齒是因輪齒次表面組織與心部組織粗大，晶粒度存在混晶，輪齒嚙合遇到沖擊而產生的一次性快速斷裂失效。

2）化學成分與非金屬夾雜物存在一些不足，雖非此次斷齒事故直接原因，但會成為潛在失效原因。因此，對原材料的成分和非金屬夾雜物在冶煉過程需鋼廠嚴格控制。

3）該行星齒輪齒根的殘余壓應力較小，這為斷裂事故提供了一個不利條件，使齒輪失效的概率大大提高。因此，關鍵受力產品在熱處理后建議用強噴手段增加表面壓應力。

4）混晶是鋼材一種較嚴重的內部缺陷，鍛造后需采用適宜的正火工藝來細化晶粒，消除組織遺傳，達到消除混晶及晶粒粗大的問題。

5）為了加強鍛件質量控制，需對正火后的組織和晶粒度進行檢測。