卷筒小行星齒輪斷裂失效分析

張彥文，許竹桃，張友登，陶　勇

（武漢鋼鐵公司　a.武鋼研究院；b.武鋼質(zhì)檢中心，湖北　武漢　430080）

卷筒小行星齒輪斷裂失效分析

張彥文a，許竹桃a，張友登a，陶勇b

（武漢鋼鐵公司a.武鋼研究院；b.武鋼質(zhì)檢中心，湖北武漢430080）

摘要：卷筒小行星齒輪在運轉(zhuǎn)中發(fā)生異常斷齒。為了查明斷裂原因，運用宏觀及微觀分析方法，對斷裂齒輪進行了分析。結(jié)果表明：齒輪斷裂為多源疲勞斷裂，且多數(shù)未斷齒根部位亦發(fā)現(xiàn)裂紋；齒輪基材存在貝氏體及鐵素體組織，說明淬火時冷卻速度不足；表面淬火也不均勻。這些工藝問題導致齒輪綜合機械性能下降。在循環(huán)工作應(yīng)力及應(yīng)力集中作用下，齒根部位產(chǎn)生多處疲勞裂紋源，并不斷擴展，最終導致齒輪斷裂失效。

關(guān)鍵詞：疲勞斷裂；淬火；貝氏體；淬硬層

某公司3 t卷筒小行星齒輪在運轉(zhuǎn)中發(fā)生異常斷齒，該齒輪用于TJ165架橋機起升行星卷揚機（型號為QS），齒輪材質(zhì)為42CrMo調(diào)質(zhì)鋼，該齒輪一周共22個齒牙，一側(cè)與輸入中心齒輪嚙合，另一側(cè)與浮動齒圈嚙合。為查明斷裂原因，對斷齒進行了相關(guān)檢驗分析。

42CrMo鋼化學成分見表1。

表1　42CrMo鋼化學成分Tab.1 42CrMo chemical composition

1　宏觀觀察

齒輪斷裂樣宏觀形貌見圖1，可見斷面位于齒根附近，斷裂部位無明顯塑性變形。切割后的斷面放大見圖2，可見斷裂起源于工作齒面一側(cè)的齒根，斷裂源附近可見輕微的疲勞擴展貝紋線。工作齒面磨損較嚴重。

圖1　斷裂齒輪宏觀形貌Fig.1 Macrograph of the failure gear

圖2　斷面放大Fig.2　 Magnification of the fracture

2　掃描電鏡觀察

斷面已不同程度銹蝕，經(jīng)除銹處理并酒精超聲清洗后，用Quanta400掃描電鏡觀察。斷面齒根（工作齒面一側(cè)）附近可見多個疲勞源，見圖3。疲勞擴展貝紋線放大見圖4，斷裂源邊緣放大可見明顯加工痕跡，但未見因加工造成的裂紋。擴展區(qū)微觀形貌為解理特征，見圖5，終斷區(qū)微觀形貌為韌窩特征，見圖6。

圖3　疲勞源Fig.3 Fatigue fracture origin

圖4　貝紋線Fig.4 Cowrie pattren

圖5　解理特征Fig.5 Cleavage characteristic

圖6　韌窩特征Fig.6 Dimple characteristic

觀察其余未斷裂齒牙根部，可見一些沿軸向分布的裂紋存在，見圖7。觀察工作齒面，可見齒面磨損較嚴重，見圖8。

圖7　齒根裂紋Fig.7 Dedendum cracks

圖8　齒面磨損Fig.8 Flank wear

3　低倍檢驗

對齒輪截面及表面進行熱酸腐蝕。表面觀察可見斷齒兩側(cè)齒根均存在軸向裂紋，22個齒牙中，有18個齒根的R角部位存在不同程度軸向裂紋，見圖9。一個齒尖的表面有徑向裂紋，見圖10。齒輪原始徑向表面觀察，齒輪表面存在淬硬層，但淬硬層的深度不均勻，斷裂部位及附近齒輪的齒尖淬硬層平均深度約6 mm，齒腰淬硬層平均深度約2 mm，齒根淬硬層深約1 mm，見圖11。取齒輪徑向若干截面觀察，除齒尖有淬硬層外，齒腰、齒根均無明顯淬硬層，齒輪的截面上有較多的疏松孔隙存在，見圖12。

圖9　齒根裂紋Fig.9 Dedendum cracks

圖10　齒頂裂紋Fig.10 Addendum cracks

圖11　齒表面淬硬層Fig.11 Hardening layer at addendum

圖12　齒根無淬硬層Fig.12 No hardening layer at dedendum

4　高倍觀察

在斷齒及相鄰未斷齒區(qū)域取徑向截面金相試樣觀察，齒輪基材夾雜物級別為DS1.5，中心有較多孔隙存在，見圖13，齒尖、齒腰、齒根均有顯微裂紋，齒根的裂紋更為嚴重，其周圍未觀察到聚集分布的夾雜物，見圖14。

上述拋光經(jīng)試劑浸蝕后觀察，齒輪基材組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，見圖15，齒頂淬硬層組織為回火馬氏體，見圖16，齒尖裂紋附近組織無明顯脫碳現(xiàn)象，見圖17，齒腰和齒根無明顯淬硬層組織，裂紋附近組織周圍無脫碳特征。

圖13　疏松孔隙Fig.13 Looseness and porousness

圖14　齒頂顯微裂紋Fig.14 Addendum microcrack

圖15　齒輪基材組織Fig.15 Base steel structure

圖16　齒頂組織Fig.16 Addendum structure

圖17　齒頂裂紋附近組織Fig.17 Structure near addendum cracks

5　顯微硬度測量

齒尖淬硬層顯微硬度（HV0.1）隨機選擇5個點測得582、579、554、549、554，齒根隨機選擇5個點測得硬度（HV0.1）為231、262、228、228、234，基材硬度（HV0.1）隨機選擇5個點測得228、229、228、233、228?？梢婟X根顯微硬度與基材差不多，而齒尖顯微硬度則明顯高于齒根及基材，且符合表面感應(yīng)淬火（零件碳含量0.33％～0.43％）HV>400的要求［1］。

6　討論

齒輪的斷裂為多源疲勞斷裂，斷裂源位于工作面一側(cè)齒根應(yīng)力集中部位。多數(shù)齒根部位低倍酸蝕可觀察到裂紋存在，工作齒面磨損嚴重，這些說明齒輪制作工藝存在問題。

按照42CrMo鋼齒輪軸的使用要求，采用調(diào)質(zhì)處理，其外表面組織應(yīng)為回火索氏體組織［2］。但僅齒尖淬硬層組織為回火索氏體，而齒腰及齒輪基材普遍存在較多貝氏體及少量鐵素體，說明淬火工藝不合理，淬火冷卻速度不足，零件沒有完全淬透，其強度及硬度因此大大降低。盡管有時為了獲得較好的強韌性配合，零件心部允許部分未淬透，但零件心部以外的其他部位不允許存在貝氏體和鐵素體［3-4］。

齒輪表面淬火可以提高表面強度和耐磨性，但表面淬火不均勻，只有齒尖達到了表面淬火效果，齒根則幾乎沒有表面淬火，局部性能不足易造成齒面早期損壞［5］。而且表面熱處理不均勻，會進一步導致齒輪抗疲勞性能下降。鋼基內(nèi)部存在疏松孔隙等缺陷也降低了齒輪的承載力。表面淬火硬化層不均勻，主要是由于齒輪在加熱時位置放置不當、感應(yīng)器噴水孔不均勻等原因造成［1］。

因此，為了防止此類齒輪斷裂失效，可以通過選用性能穩(wěn)定、冷卻效果較好的淬火液，同時定期更換淬火液，以防其老化導致工作性能下降［1］，以及通過提高表面淬火時加熱溫度的均勻性以改善表面淬火組織的均勻性等途徑加以解決［6］。

7　結(jié)論

齒輪斷裂為多源疲勞斷裂，斷裂起源于齒輪根部。齒輪熱處理工藝不合理導致基材存在較多貝氏體及少量鐵素體，齒輪表面的淬硬層不均勻，亦導致齒輪的機械強度、耐磨性能和抗疲勞性能大大降低，在工作應(yīng)力及應(yīng)力集中作用下齒根部位產(chǎn)生較多裂紋，成為疲勞斷裂起源，并不斷擴展，最終導致齒輪斷裂失效。

參考文獻（References）

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［2］李智麗，韓鳳英，王權(quán).42CrMo鋼齒輪軸斷裂分析［J］.金屬熱處理，2003，28（3）：19-20.

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［5］趙玉梅，張紅霞.汽車后橋從動齒輪的失效分析［J］.機械制造，2011（2）：71-73.

［6］王忠誠，齊寶森，李揚.典型零件熱處理技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010：37.

（責任編輯：陳曠）

Fracture Analysis of Reel Asteroid Gear

ZHANG Yanwena，XU Zhutaoa，ZHANG Youdenga，TAO Yongb
（a.Research and Development Center；b.Quality Inspection Center，Wuhan Iron and Steel Company，Wuhan 430080，Hubei，China）

Abstract：A tooth of reel asteroid gear fractured abnormally during operation.In order to find out how it occurred，fracture of the gear were analysed by macroscopical observation and microscopical examination.The results showed that the gear failure was multiple origins fatigue fracture，and cracks were also found at the dedendum of most other teeth of the gear.There were bainite and ferrite in gear base material，which showed the quenching cooling rate was too slow.Surface quenching was uneven.All of these problems lead to the decrease of the gear comprehensive mechanical properties.Some fatigue crack origins occured at the dedendum of teeth under the circulation work stress and stress concentration and the cracks expanded，finally caused the gear fracture.

Keywords：fatigue fracture；quench；bainite；hardening zone

作者簡介：張彥文（1972—），男，教授級高工，博士，研究方向：金屬材料失效分析。

收稿日期：2015 - 03 - 02

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.03.007

中圖分類號：TG113.255

文獻標志碼：A

文章編號：1673-0143（2015）03-0229-05