曹昌懷，劉修艷，陳文偉，盧建

我公司為某企業(yè)配套中頻感應(yīng)淬火處理的船用柴油機(jī)傳動(dòng)齒輪，在使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)輪齒斷裂失效的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響柴油機(jī)的安全。為尋求斷裂產(chǎn)生的原因及解決的方法，對(duì)其進(jìn)行分析。

傳動(dòng)齒輪的材料為42CrMo鋼，生產(chǎn)工藝流程為：鍛造成形→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→滾齒→中頻感應(yīng)淬火→磨齒→無(wú)損檢測(cè)→成品。

1. 檢驗(yàn)與結(jié)果

（1）宏觀形貌分析 斷裂發(fā)生在傳動(dòng)齒輪的輪齒部位，輪齒斷口形貌如圖1所示，斷口可見明顯的疲勞貝紋線痕跡，是疲勞斷裂的特征。疲勞源起始于輪齒兩側(cè)的根部過(guò)渡區(qū)，且有明顯的“臺(tái)階”痕跡，說(shuō)明該處有應(yīng)力集中現(xiàn)象；齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受載荷作用，由輪齒兩側(cè)根部過(guò)渡區(qū)的疲勞源向內(nèi)沿不同平面擴(kuò)展，相遇后貫通，形成臺(tái)階狀的最后瞬斷區(qū)，輪齒斷裂。整個(gè)斷口的貝紋線較細(xì)密，疲勞擴(kuò)展區(qū)占大部分區(qū)域，應(yīng)是應(yīng)力集中條件下的低應(yīng)力高周疲勞斷裂。

同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，齒根區(qū)域較其他區(qū)域顏色深，表面也較粗糙（見圖2），說(shuō)明存在機(jī)加工不到位的現(xiàn)象。

（2）化學(xué)成分分析 在斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果列于表1。該傳動(dòng)齒輪的化學(xué)成分符合GB/T3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）非金屬夾雜物的檢驗(yàn) 對(duì)輪齒進(jìn)行線切割取樣，試樣經(jīng)磨拋后觀察并根據(jù)GB/T 10561—2005進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為A1.0、B0、C0、D1.0，如圖3所示。非金屬夾雜物符合A+C≤3.0級(jí)和B+D≤3.0級(jí)的技術(shù)協(xié)議要求。

表1 傳動(dòng)齒輪的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）金相檢驗(yàn) 試樣經(jīng)磨拋后觀察，齒根深色區(qū)域表面起伏，疲勞源區(qū)存在一條疲勞裂紋，如圖4所示。試樣再經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后發(fā)現(xiàn)，該齒輪齒根部位未經(jīng)中頻感應(yīng)淬火處理，如圖5所示，輪齒黑色區(qū)域?yàn)楦袘?yīng)淬火區(qū)，感應(yīng)淬火區(qū)組織為細(xì)針狀馬氏體，如圖6所示。齒根疲勞源區(qū)表面未經(jīng)感應(yīng)淬火處理，金相組織與基體組織一致，為回火索氏體＋少量鐵素體，如圖7、圖8所示。

（5）基體硬度檢驗(yàn) 經(jīng)檢測(cè)，齒輪基體硬度為255HBW10/3000，滿足技術(shù)要求。

2. 分析與討論

鋼中非金屬夾雜物檢測(cè)及化學(xué)成分的分析結(jié)果表明，該齒輪材質(zhì)正常。金相分析表明，其基體組織正常，說(shuō)明該齒輪基體調(diào)質(zhì)狀態(tài)正常。斷口分析表明，該齒輪應(yīng)是應(yīng)力集中條件下的低應(yīng)力高周疲勞斷裂。疲勞源起始于輪齒兩側(cè)的根部，該處是淬火區(qū)和非淬火區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域由于受到淬火時(shí)高溫影響，形成回火軟區(qū)，組織軟化，相較于基體組織，其硬度和疲勞強(qiáng)度較低；同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)該處具有明顯的“臺(tái)階”痕跡，說(shuō)明該處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒輪齒根部位本身易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，加之齒根區(qū)域加工較粗糙，加劇了該處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時(shí)齒根部位未進(jìn)行中頻感應(yīng)淬火處理，金相檢測(cè)其為回火索氏體＋少量鐵素體組織，疲勞強(qiáng)度較回火馬氏體要低得多。傳動(dòng)齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)傳遞載荷時(shí)，齒根承受交變彎曲應(yīng)力，由于該處應(yīng)力集中及疲勞強(qiáng)度低，因此在齒根承受的彎曲應(yīng)力大于該處的疲勞強(qiáng)度時(shí)，在該處萌生微裂紋，形成疲勞源，隨著齒輪的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，疲勞源逐步擴(kuò)展，直至出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象。

圖4 疲勞源區(qū)拋光態(tài)形貌 （50×）

圖5 試樣腐蝕后宏觀形貌

圖6 輪齒感應(yīng)淬火區(qū)組織 （500×）

圖7 疲勞源區(qū)組織 （100×）

圖8 試樣基體組織 （500×）

3. 結(jié)論與建議

通過(guò)分析，得出該傳動(dòng)齒輪的斷裂原因，故此后的生產(chǎn)做了以下改進(jìn)：

（1）強(qiáng)化機(jī)加工工序質(zhì)量，切實(shí)改善齒根部位的粗糙度，減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

（2）改進(jìn)中頻感應(yīng)淬火工藝，原采用的中頻感應(yīng)淬火，當(dāng)時(shí)考慮的是齒根部位易發(fā)生加熱溫度過(guò)高和冷卻過(guò)激的現(xiàn)象造成淬火應(yīng)力集中而開裂，因此特意對(duì)齒根部位沒(méi)有淬火，造成同基體一樣的回火索氏體組織。故對(duì)中頻感應(yīng)淬火的工藝方式進(jìn)行改進(jìn)，在加熱電參數(shù)、淬火移動(dòng)速度、淬火感應(yīng)器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)傳動(dòng)齒輪的齒根部位也進(jìn)行淬火，以形成回火馬氏體組織，提高該處的疲勞強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用仿形感應(yīng)器，將感應(yīng)器的前端噴水孔堵死，并將感應(yīng)器頂端與齒槽間隙加大，控制在11～16mm之間。在加熱過(guò)程中，控制齒根處于亞溫狀態(tài)，既沒(méi)有過(guò)激的冷卻，又完美地解決了淬火裂紋的問(wèn)題，同時(shí)使齒根部位的疲勞強(qiáng)度變大，效果良好。

根據(jù)改進(jìn)后的工藝，此后中頻感應(yīng)處理的多批次傳動(dòng)齒輪，再未發(fā)生輪齒斷裂失效的現(xiàn)象，證明是有效、可行的。