潘小靜, 徐旋旋, 戴林榮

(中天鋼鐵集團有限公司， 常州 213011)

齒輪軸是支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運動、扭矩或彎矩的機械零件，齒輪軸的材料應(yīng)具有很好的力學(xué)性能，以滿足其使用需求。但由于齒輪軸使用的工況大多較為復(fù)雜，齒輪失效的情況時有發(fā)生，對于齒輪失效的模式和原因已經(jīng)進行了較多的研究，包括設(shè)計不當、組裝不良、偏載、齒輪表面裂紋等引起的斷齒、磨損、擦傷、剝落等[1-5]。

一般來說機械加工過程中產(chǎn)生的磨削裂紋以及熱處理過程中產(chǎn)生的淬火裂紋，經(jīng)過磁粉探傷檢驗都能比較容易地檢查出來，但是齒輪加工過程中產(chǎn)生的細微缺陷也容易成為應(yīng)力集中點，當受到較大載荷沖擊時就會導(dǎo)致齒輪斷裂失效，這種缺陷往往通過常規(guī)檢驗不易被發(fā)現(xiàn)，隱蔽但危害卻很大。

某鋼廠行車減速箱三級齒輪軸在使用26 d后發(fā)生輪齒斷裂事故，齒輪的材料為20CrMnTi鋼，加工工藝流程為：下料→鍛造→正火→粗加工(車、銑鍵、滾齒)→滲碳→淬回火→精磨外圓→磨齒。筆者對失效齒輪進行了一系列檢驗和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為失效齒輪軸的宏觀形貌，可見共有4個輪齒斷裂，分別編號為1～4號。1號斷齒端面與齒根齒面相交的交角處為斷裂源，發(fā)生首次斷裂；然后依次斷裂至4號齒；與4號齒相鄰的輪齒齒面存在明顯機械撞擊痕跡。各輪齒斷裂面呈亮灰色，且均無明顯塑性變形區(qū)，放射條紋均收斂于輪齒的一側(cè)齒根處，或位于端面與齒根齒面相交的交角處，或位于齒寬中部齒根處，但斷齒均從齒根部開始斷裂。在4個輪齒的斷面上未發(fā)現(xiàn)有疲勞斷裂的特征，初步斷定輪齒斷裂屬于瞬時一次性脆性斷裂。經(jīng)仔細觀察發(fā)現(xiàn)，輪齒端面與齒面相交的交角處未倒角而呈尖角狀，并且近齒根表面較粗糙，存在明顯的滾齒加工時的跳刀痕跡，斷裂源處除粗糙的加工痕跡外未見明顯裂紋缺陷，如圖2和圖3所示。

圖1 失效齒輪軸宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure gear shaft

圖2 輪齒斷裂面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of the gear teeth:a) fracture surface; b) fracture source

圖3 輪齒根部宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of gear teeth root:a) side of gear tooth root; b) front of gear tooth root

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂輪齒上取樣，使用QSN750型直讀光譜儀對其進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見斷裂齒輪的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對20CrMnTi鋼的成分要求。

表1 斷裂輪齒的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured gear teeth (mass fraction) %

1.3 斷口微觀分析

將1號斷齒線切割取下經(jīng)超聲波清洗后置于掃描電鏡(SEM)下觀察，如圖4～圖6所示。該斷裂起始位置即斷裂源處存在輕微機械磨損痕跡，滲碳層區(qū)域為沿晶斷裂特征，正常區(qū)域為解理斷裂特征[6-8]。斷裂輪齒整體呈現(xiàn)沿晶+穿晶的混合斷裂特征，斷裂源處未發(fā)現(xiàn)夾雜物、裂紋等冶金缺陷，齒根表面加工較為粗糙，齒根表面與端面的交角未倒角呈尖角狀，齒邊緣凹凸不平。

圖4 斷裂源區(qū)SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture source area

圖5 齒根表面加工特征SEM形貌Fig.5 SEM morphology of tooth root surface processing characteristics

圖6 輪齒斷面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of fracture surface of gear tooth:a) carburized area; b) non carburized area

1.4 金相檢驗

取未斷裂輪齒及部分齒根圓區(qū)域進行金相檢驗，輪齒及齒根圓區(qū)域表層滲碳層宏觀形貌如圖7所示，可見此區(qū)域整體滲層較為均勻。輪齒近齒根部位表面較粗糙，存在深約0.04 mm的坑狀缺陷，如圖8所示，而正常齒面處表面較為光滑。輪齒及齒根圓區(qū)域滲碳層組織為隱針馬氏體+少量殘余奧氏體，如圖9～圖10所示,邊緣未見明顯脫碳現(xiàn)象，正常處基體的顯微組織為板條馬氏體+少量貝氏體。參照QC/T 262-1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》，對齒輪軸的滲層馬氏體、碳化物、殘余奧氏體及表層內(nèi)氧化分別進行評級檢驗，結(jié)果見表2。

圖7 輪齒表面滲碳層宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of carburized layer on the gear tooth surface

圖8 輪齒根部表面微觀形貌Fig.8 Micro morphology of surface of the gear tooth root

表2 齒輪軸金相檢驗分級結(jié)果

對齒輪軸進行非金屬夾雜物檢驗，發(fā)現(xiàn)存在較多的A類(硫化物類)夾雜物 ，為細系2.5級，并無其他夾雜物，非金屬夾雜物形貌如圖11所示，A類夾雜物屬塑性夾雜物，會隨著加工變形而變形，一般認為對材料的性能影響不大[9]。

圖9 輪齒齒根表層顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of surface layerorganization of the gear tooth root

圖10 輪齒心部顯微組織形貌Fig.10 Microstructure morphology of center of the gear tooth

圖11 齒輪軸非金屬夾雜物形貌Fig.11 Morphology of nonmetallic inclusions in the gear shaft

1.5 硬度測試

采用顯微硬度法分別檢驗輪齒節(jié)圓和齒根區(qū)域滲層的顯微硬度梯度變化，結(jié)果見表3，輪齒節(jié)圓與齒根近表面洛氏硬度經(jīng)換算結(jié)果見表4，可見節(jié)圓和齒根滲層區(qū)域的硬度相差不大,表面硬度符合技術(shù)要求規(guī)定。參照GB/T 9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，可推斷輪齒的滲碳淬火硬化層深度為1.3～1.5 mm。

輪齒心部洛氏硬度檢驗結(jié)果為30.5,33.4,32.9 HRC，符合JB/T 6141.2-1992《重載齒輪 滲碳質(zhì)量檢驗》對齒輪心部硬度的要求(30～46 HRC)。

表3 輪齒節(jié)圓和齒根區(qū)域的顯微硬度分布Tab.3 Microhardness distribution of pitch circle and root area of the gear tooth HV1

表4 輪齒節(jié)圓和齒根的表面洛氏硬度換算值Tab.4 Conversion value of surface Rockwell hardnessof pitch circle and root of the gear tooth HRC

2 分析與討論

齒輪軸上輪齒的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015對20CrMnTi鋼的成分要求。輪齒的齒面及齒根處顯微組織符合QC/T 262-1999的技術(shù)要求。輪齒的齒面及齒根處滲碳淬火硬化層深度為1.3～1.5 mm。輪齒心部硬度符合JB/T 6141.2-1992對滲碳齒輪心部硬度的要求。上述結(jié)果表明，該齒輪軸材料符合技術(shù)條件要求，其熱處理質(zhì)量良好。

斷口分析表明，該齒輪軸共斷裂了4個輪齒，首個輪齒斷裂起源于輪齒端面與齒根齒面相交的交角處，然后依次斷裂，斷裂源或位于端面與齒根齒面相交的交角處，或位于齒寬中部齒根處，說明斷裂均從齒根部開始。各輪齒斷裂面呈亮灰色，且均無明顯塑性變形區(qū)，也未發(fā)現(xiàn)有疲勞斷裂的特征，由此推斷該輪齒斷裂為瞬時一次性脆性斷裂，說明輪齒承受的應(yīng)力過高，導(dǎo)致產(chǎn)生早期過載沖擊斷裂。

零部件所受負荷在瞬間突然增大，造成嚴重過載而產(chǎn)生的破斷現(xiàn)象稱之為過載沖擊斷裂。過載沖擊斷裂是齒輪服役過程中可能遇到的一種破壞形式[10]。一般來說，工件發(fā)生過載沖擊斷裂的原因有兩種，一是工件所選用材料的力學(xué)性能不足，二是載荷超過了工件所選用材料的承載能力[11]。通過上述理化檢驗結(jié)果可知，該齒輪軸的化學(xué)成分符合技術(shù)條件要求，齒輪滲碳層深度、顯微組織及表面和心部硬度均符合標準要求，可以判斷輪齒的斷裂與齒輪軸材料選用及熱處理質(zhì)量無關(guān)。

行車在使用時，需要頻繁的啟動，如果在啟動過程中受到載荷過大或卡頓的影響，整個傳動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動慣量在極短的時間內(nèi)作用到減速箱齒輪軸輪齒上，而使輪齒受到巨大的沖擊力。在檢驗中發(fā)現(xiàn)，齒輪端面與齒根齒面相交的交角因未倒角而呈尖角狀，并且近齒根表面較粗糙，存在明顯的滾齒加工時的跳刀痕跡，尖銳的角部和小凹坑同時存在，進一步增加了齒根部對應(yīng)力集中的敏感度，形成較大的應(yīng)力集中。在此情況下，當載荷超過其自身的承載能力時就會促使輪齒被迅速脆性折斷。因而在輪齒的斷裂面上看不到明顯的疲勞裂紋，其斷口形狀大多呈上凸曲線或上凸臺階形，斷裂面一般較粗糙，為典型的脆性斷口。

由此推斷該齒輪軸輪齒的斷裂過程：由于齒輪端面與齒根齒面相交的交角未倒角而呈尖角狀形成較嚴重的應(yīng)力集中，當行車啟動過程中受到載荷過大或卡頓的影響時，1號輪齒因過載發(fā)生脆性斷裂。已斷裂的輪齒在后續(xù)的運轉(zhuǎn)過程中將不參與工作，使得輪齒間隙增大，導(dǎo)致相鄰輪齒受力大大增加。當受力超過相鄰輪齒的承受極限時，相鄰輪齒也發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

該齒輪軸輪齒斷裂形式為脆性過載斷裂，齒輪端面與齒面根部交角未倒角呈尖角、加工粗糙及短時過載，是導(dǎo)致輪齒斷裂失效的主要原因。

建議選擇合適的磨削進給量及冷卻液，降低齒輪軸表面粗糙度，并加強齒面的檢查；同時對輪齒邊緣進行適當?shù)牡菇翘幚?，避免機加工對表面質(zhì)量的不良影響。