減速機(jī)齒輪開裂原因分析

吳雪敏，張辰

1.大連大重檢測技術(shù)服務(wù)有限公司 遼寧大連 116000

2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司通用減速機(jī)廠 遼寧大連 116000

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。

1 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。

圖1 齒輪裂紋部位及形貌

圖2 齒輪斷口宏觀形貌

圖3 齒輪裂紋源位置

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EN 10084—2008《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》要求。檢測結(jié)果見表1。

表1 齒輪化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

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，心部硬度為43.0HRC，均符合圖樣技術(shù)要求。

按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》中B法檢驗(yàn)評定，各類非金屬夾雜物均優(yōu)于0.5級；按G B/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》檢驗(yàn)評定，晶粒度為6.5級。

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/T 25744—2010《鋼中滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》評定為碳化物1級、馬氏體5級、殘留奧氏體6級，不滿足GB/T 3480.5—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，如圖4所示。

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，如圖5所示。

圖4 滲碳層組織（500×）

圖5 線切割白亮層（500×）

2 分析與討論

對減速機(jī)齒輪進(jìn)行檢測，結(jié)果表明其材料成分、夾雜物、晶粒度、硬度、滲層深度均符合要求。導(dǎo)致齒輪開裂的主要原因如下。

1）由于線切割走絲速度過快，使齒輪鍵槽部位加工粗糙、加工痕跡清晰、過渡圓角形狀不規(guī)則，加劇了鍵槽部位的應(yīng)力集中情況，故在此處形成了裂紋源，裂紋在磨削應(yīng)力等作用下逐漸擴(kuò)展至齒輪開裂。另外，過快的走絲速度使鍵槽表面產(chǎn)生白亮層，且白亮層中存在較多的顯微裂紋，致使在后續(xù)工序中擴(kuò)展開裂。存在尖銳凹角、凸邊或缺口的零件在制造和使用過程中，將在尖銳的凹角、缺口或凸邊過渡處產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中并可能形成裂紋[1]。另外，零件在加工過程中，因操作、刀具刃口形態(tài)、機(jī)床精度等導(dǎo)致加工表面粗糙的刀痕等，均會(huì)引起應(yīng)力集中，惡化性能[2]。該齒輪經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)鍵槽表面加工較粗糙，表面清晰可見加工刀痕，鍵槽根部過渡圓角部位形狀不規(guī)則，應(yīng)力集中較大。鍵槽表面存在一層線切割加工產(chǎn)生的白亮層，其為含有大量殘留奧氏體的淬火層。殘留奧氏體為不穩(wěn)定組織，可繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力集中在過渡圓角時(shí)，會(huì)加劇過渡圓角的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而產(chǎn)生顯微裂紋[3]。

2）滲碳層中馬氏體針較粗大，殘留奧氏體含量過多，使齒輪強(qiáng)度降低、脆性增大[4]。另外，大量殘留奧氏體在常溫下繼續(xù)轉(zhuǎn)變成淬火馬氏體，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余內(nèi)應(yīng)力，加速了裂紋的擴(kuò)展。

3 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。