斜齿轮失效原因分析

rockston

我公司生产的轧机变速箱，斜齿轮是其主要零件，要求斜齿轮必须具有良好的耐磨性能、耐疲劳性能和一定的冲击韧性。我公司生产某批斜齿轮时，设计寿命为5年，但使用仅3个月，就发生齿面剥落现象，造成了停产事故，其经济损失是严重的，为此需对失效斜齿轮进行解剖分析。

1  宏观检查

& |5 B' M& H: \7 g斜齿轮共47齿，都是在齿面的受力侧节圆附近发生较严重的剥落损坏。齿长160mm，损坏约124mm；齿高 25mm，损坏占15mm；损坏面积占齿面的50%～60%损坏形式为较严重的剥落坑，严重的剥落坑而积约lOx5mm2，坑深约1.Omm左右，并在齿顶受力侧的齿边被挤出高约O.5mm的凸台，剥落坑具有明显的疲劳特征，属于典型的疲劳损坏。

2  化学成分分析

斜齿轮材料的化学成分分析结果见表1，其化学成分符合GB3077-88合金结构钢技术条件。

  

3  硬度测试

斜齿轮测试的齿顶硬度为51HRC-53HRC，齿面硬度为52HRC-54HRC，心部硬度为22HRC-25HRC。检测结果表明，斜齿轮的齿面硬度明显低于其技术要求(57HRC-61HRC )，心部硬度严重低于其技术要求(30HRC一35HRC)。

4  金相检测

对损坏的斜齿进行齿部横切取样，测得有效硬化层深度为0.80mm-0.90mm；有效硬化层的显微组织为：回火马氏体+较多数量的残余奥氏体，且距齿面0.l0mm范围内存在严重断续网状碳化物。心部组织为索氏体。

5  分析与结论

斜齿轮的最终热处理为渗碳淬火+低温回火。根据20CrMnTi钢的等温转变曲线，渗碳后，其马氏体点(Ms)较低，约为1500C。由于零件较大、装炉数量又多、热容量大，渗碳后在油槽中淬火，使油温升高，冷却不充分，不能使奥氏体充分转变为马氏体组织，保留了较多的残余奥氏体。渗碳层中出现较严重的断续网状碳化物，说明碳势偏高，而淬火马氏体的强度随含碳量的增加而降低。齿表面过多的残余奥氏体，使齿面硬度明显不足，并且残余奥氏体是一种不稳定组织，在以后的磨削加工及零件服役过程中，以及在组织转变过程中产生组织应力，严重时将产生磨削裂纹或尺寸变形，将会严重影响零件的使用寿命。

有效硬化层深、零件截面尺寸、零件负载情况应有合理的匹配。该斜齿轮的截而尺寸较大，并承受重载，而有效硬化层仅为0.80mm～0.90mm。由于有效硬化层薄，其表层马氏体体积效应有限，使表面压应力较小，斜齿轮在运行过程中，最大切应力将会发生于强度较低的非渗碳层与有效硬化层的交界处，导致渗碳层塌陷剥落。薄的有效硬化层，形成较陡的硬度梯度，也会降低零件的使用寿命。

有效硬化层中存在较严重的断续网状碳化物，碳化物是一种脆性相，并存在于晶界上，在一定程度上降低了晶间结合力，使零件的整体性能下降，导致耐疲劳性能和冲击韧性变坏。

/ j9 o" h0 j4 R0 D渗碳件心部的硬度，不仅影响零件的静载强度，而且也影响表面残余应力的分布，从而影响零件的弯曲疲劳强度。该斜齿轮的心部硬度明显不足，承载时易出现心部屈服，造成齿面剥落。

综合上述分析：由于有效硬化层中有过多的残余奥氏体，造成了齿面硬度不足，使齿面的耐磨性和耐疲劳性能下降。有效硬化层中严重的断续网状碳化物，使疲劳性能进一步下降。冲击韧性变坏。薄的有效硬化层和低的心部硬度，使斜齿轮在重负荷下，首先在有效硬化层与心部组织交界处形成微裂纹，在交变应力的作用卜，裂纹逐渐扩展、最后剥落，并很快形成大面积剥落，造成了斜齿轮的早期失效。

为杜绝类似问题的再次发生，根据分析结论，采取了相应措施：对斜齿轮的预备热处理工艺及渗碳淬火工艺进行了优化改进，使斜齿轮的渗碳淬火组织变为从表面至心部依次为：细小针状马氏体+少量残余奥氏体+细小颗粒状碳化物→

高碳马氏体+少量残余奥氏体→逐渐过渡到低碳马氏体。并增加了一次低温回火，延长了回火时间，使残余奥氏体充分分解，组织应力充分释放。这样，使有效硬化层深度增加到1.30mm～1.5Omm，斜齿轮齿面硬度达到58HRC～60HRC，心部硬度提高到33HRC～35HRC。采用优化工艺后生产的斜齿轮，己在轧机变速箱中运转近5年，尚未发现齿面剥落现象及其它损坏形式，并且仍在正常运行。