分動箱齒輪斷裂原因

王 華

(上海市緊固件和焊接材料技術(shù)研究所有限公司 檢測中心, 上海 201901)

某企業(yè)生產(chǎn)的分動箱齒輪在使用過程中發(fā)生斷裂失效。該齒輪材料為20CrMnTi鋼，其制造工藝流程為：原料→鍛造→正火處理→粗車→精車→滾齒→滲碳淬火→低溫回火→噴丸→磨內(nèi)孔端面→磨齒→終檢。技術(shù)要求齒輪表面硬度為58～62 HRC，心部硬度為30～43 HRC，表面滲碳有效硬化層深度為0.85～1.25 mm。筆者采用一系列檢驗和分析對該20CrMnTi鋼齒輪的斷裂原因進行了分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為斷裂齒輪的宏觀形貌，圖2為齒輪斷口宏觀形貌。由圖2可知，裂紋擴展區(qū)存在放射狀條紋及疲勞弧線，可判斷此斷口為疲勞斷口[1-2]。根據(jù)疲勞斷口形貌特征，放射狀條紋收斂處為疲勞源以及疲勞弧線的內(nèi)側(cè)是裂紋源的方向，而疲勞弧線的外側(cè)是裂紋擴展方向，可判斷出斷口的疲勞源區(qū)位置。根據(jù)疲勞源區(qū)所在位置以及齒輪斷裂方向，可判斷出裂紋源位于齒輪節(jié)圓附近位置，裂紋擴展方向是由齒輪表面節(jié)圓附近向齒根擴展。

圖1 斷裂齒輪宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured gear

圖2 齒輪斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the gear fracture

1.2 微觀分析

圖3為斷齒部分斷口的形貌，疲勞源區(qū)是最早生成的斷口，疲勞源區(qū)表面凹凸不平，比較粗糙，形成很多臺階，在循環(huán)工作載荷的作用下，疲勞源區(qū)的裂紋緩慢擴展，從而連接形成臺階。從疲勞源區(qū)斷口可以看出，起始裂紋源位于齒面一直線上，因而可以稱為線源，這個線源為齒面節(jié)圓附近的直線段上的微裂紋，從靠近線源附近齒面加工刀痕來看，線源與加工刀痕近似平行，加工刀痕的切削痕跡非常明顯,且具有顯著的方向性[3-4]。據(jù)此判斷，疲勞源區(qū)的裂紋最初萌生可能與加工刀痕有關(guān)，然后在齒輪的循環(huán)沖擊載荷下向齒輪基體逐漸擴展，直至斷裂。

圖3 斷齒部分的斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture of the fractured tooth part:a) fatigue source region; b) extended region; c) fatigue arc; d) tool mark of tooth surface

1.3 化學成分分析

從斷裂齒輪上截取試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。該20CrMnTi鋼齒輪的化學成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的成分要求。

表1 斷裂齒輪的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured gear (mass fraction) %

1.4 硬度測試

按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的檢測方法檢測齒輪表面和心部硬度，并根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算得到洛氏硬度，結(jié)果見表2。齒輪表面和心部硬度實測值和平均值均滿足齒輪表面硬度58～63 HRC，心部硬度30～43 HRC的技術(shù)要求。

表2 斷裂齒輪表面及心部硬度測試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of the fractured gear surface and core

1.5 硬化層深度測量

按照GB/T 9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》的檢測方法從零件表面到維氏界限硬度值550 HV1處(按照GB/T 4340.1-2009規(guī)定)的垂直距離界定滲碳淬火硬化層深度來檢測齒輪側(cè)面滲碳淬火有效硬化層深度[5]，結(jié)果如圖4所示。可見斷裂齒輪側(cè)面滲碳淬火有效硬化層深度為1.06 mm，滿足0.85～1.25 mm的技術(shù)要求。

圖4 斷裂齒輪側(cè)面滲碳有效硬化層深度Fig.4 Carburizing effective hardening layer depth of side of the fractured gear

1.6 非金屬夾雜物分析

沿著圖3的斷口疲勞源區(qū)線源處垂直于齒面加工刀痕方向截取齒輪部分和斷齒部分的橫截面試樣，試樣經(jīng)磨制和拋光后，先在金相顯微鏡下觀察試樣橫截面疲勞裂紋源附近非金屬夾雜物分布情況及非金屬夾雜物類型和形態(tài)，再在掃描電鏡(SEM)下用能譜(EDS)儀定性和定量分析非金屬夾雜物，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，疲勞裂紋源附近沒有明顯聚集的非金屬夾雜物，疲勞裂紋源附近區(qū)域和遠離疲勞裂紋源區(qū)域主要分布的是Ti(CN)顆粒。

圖5 疲勞源區(qū)非金屬夾雜物的SEM形貌及EDS譜Fig.5 The a) SEM morphology and b) EDS spectrum of non-metallic inclusions in fatigue source region

圖6 遠離疲勞源區(qū)非金屬夾雜物的SEM形貌及EDS譜Fig.6 The a) SEM morphology and b) EDS spectrum of non-metallic inclusions far away from fatigue source region

1.7 金相檢驗

圖7為斷裂齒輪表層和心部的顯微組織形貌。可見齒輪表層顯微組織為高碳馬氏體+少量殘余奧氏體，馬氏體等級為3級，殘余奧氏體等級為1級，齒輪心部顯微組織為低碳馬氏體，馬氏體等級為2級。

2 分析與討論

從斷裂齒輪宏觀斷口形貌可以看出，裂紋擴展區(qū)存在放射狀條紋及疲勞弧線，可判斷此斷口為疲勞斷口。從疲勞源區(qū)斷口宏觀形貌可以看出，起始裂紋源位于齒面一直線上，可以稱為線源，而線源與加工刀痕近似平行。斷裂齒輪的化學成分、表面及心部硬度、側(cè)面滲碳淬火有效硬化層深度均滿足技術(shù)要求，且斷裂齒輪斷口疲勞裂紋源附近并沒有明顯聚集的非金屬夾雜物。

對于齒輪類摩擦副來說，加工刀痕所造成的齒面微觀面積減小，齒面的接觸壓力加大，應力集中必然隨之增大，對于齒輪的疲勞壽命會產(chǎn)生不利影響。

由上述分析可知，齒輪的疲勞斷裂主要源于齒面上殘留加工刀痕形成的應力集中，在齒輪的循環(huán)沖擊載荷下，在較深的加工刀痕處容易產(chǎn)生微裂紋而形成裂紋源，并向齒輪基體逐漸擴展，直至斷裂。

3 結(jié)論及建議

齒輪發(fā)生疲勞斷裂的主要原因是齒面殘留加工刀痕導致應力集中，在周期載荷作用下，疲勞裂紋源首先在殘留加工刀痕較深處形成，隨后裂紋逐漸擴展，直至斷裂。

在齒輪的制造過程中，應降低齒輪表面的粗糙度，強化齒根強度，控制殘余加工刀痕對齒輪齒根強度的影響，提高齒輪的疲勞壽命。