卷筒小行星齿轮断裂失效分析

张彦文，许竹桃，张友登，陶　勇

（武汉钢铁公司　a.武钢研究院；b.武钢质检中心，湖北　武汉　430080）

卷筒小行星齿轮断裂失效分析

张彦文a，许竹桃a，张友登a，陶勇b

（武汉钢铁公司a.武钢研究院；b.武钢质检中心，湖北武汉430080）

摘要：卷筒小行星齿轮在运转中发生异常断齿。为了查明断裂原因，运用宏观及微观分析方法，对断裂齿轮进行了分析。结果表明：齿轮断裂为多源疲劳断裂，且多数未断齿根部位亦发现裂纹；齿轮基材存在贝氏体及铁素体组织，说明淬火时冷却速度不足；表面淬火也不均匀。这些工艺问题导致齿轮综合机械性能下降。在循环工作应力及应力集中作用下，齿根部位产生多处疲劳裂纹源，并不断扩展，最终导致齿轮断裂失效。

关键词：疲劳断裂；淬火；贝氏体；淬硬层

某公司3 t卷筒小行星齿轮在运转中发生异常断齿，该齿轮用于TJ165架桥机起升行星卷扬机（型号为QS），齿轮材质为42CrMo调质钢，该齿轮一周共22个齿牙，一侧与输入中心齿轮啮合，另一侧与浮动齿圈啮合。为查明断裂原因，对断齿进行了相关检验分析。

42CrMo钢化学成分见表1。

表1　42CrMo钢化学成分Tab.1 42CrMo chemical composition

1　宏观观察

齿轮断裂样宏观形貌见图1，可见断面位于齿根附近，断裂部位无明显塑性变形。切割后的断面放大见图2，可见断裂起源于工作齿面一侧的齿根，断裂源附近可见轻微的疲劳扩展贝纹线。工作齿面磨损较严重。

图1　断裂齿轮宏观形貌Fig.1 Macrograph of the failure gear

图2　断面放大Fig.2　 Magnification of the fracture

2　扫描电镜观察

断面已不同程度锈蚀，经除锈处理并酒精超声清洗后，用Quanta400扫描电镜观察。断面齿根（工作齿面一侧）附近可见多个疲劳源，见图3。疲劳扩展贝纹线放大见图4，断裂源边缘放大可见明显加工痕迹，但未见因加工造成的裂纹。扩展区微观形貌为解理特征，见图5，终断区微观形貌为韧窝特征，见图6。

图3　疲劳源Fig.3 Fatigue fracture origin

图4　贝纹线Fig.4 Cowrie pattren

图5　解理特征Fig.5 Cleavage characteristic

图6　韧窝特征Fig.6 Dimple characteristic

观察其余未断裂齿牙根部，可见一些沿轴向分布的裂纹存在，见图7。观察工作齿面，可见齿面磨损较严重，见图8。

图7　齿根裂纹Fig.7 Dedendum cracks

图8　齿面磨损Fig.8 Flank wear

3　低倍检验

对齿轮截面及表面进行热酸腐蚀。表面观察可见断齿两侧齿根均存在轴向裂纹，22个齿牙中，有18个齿根的R角部位存在不同程度轴向裂纹，见图9。一个齿尖的表面有径向裂纹，见图10。齿轮原始径向表面观察，齿轮表面存在淬硬层，但淬硬层的深度不均匀，断裂部位及附近齿轮的齿尖淬硬层平均深度约6 mm，齿腰淬硬层平均深度约2 mm，齿根淬硬层深约1 mm，见图11。取齿轮径向若干截面观察，除齿尖有淬硬层外，齿腰、齿根均无明显淬硬层，齿轮的截面上有较多的疏松孔隙存在，见图12。

图9　齿根裂纹Fig.9 Dedendum cracks

图10　齿顶裂纹Fig.10 Addendum cracks

图11　齿表面淬硬层Fig.11 Hardening layer at addendum

图12　齿根无淬硬层Fig.12 No hardening layer at dedendum

4　高倍观察

在断齿及相邻未断齿区域取径向截面金相试样观察，齿轮基材夹杂物级别为DS1.5，中心有较多孔隙存在，见图13，齿尖、齿腰、齿根均有显微裂纹，齿根的裂纹更为严重，其周围未观察到聚集分布的夹杂物，见图14。

上述抛光经试剂浸蚀后观察，齿轮基材组织为回火索氏体+贝氏体+少量铁素体，见图15，齿顶淬硬层组织为回火马氏体，见图16，齿尖裂纹附近组织无明显脱碳现象，见图17，齿腰和齿根无明显淬硬层组织，裂纹附近组织周围无脱碳特征。

图13　疏松孔隙Fig.13 Looseness and porousness

图14　齿顶显微裂纹Fig.14 Addendum microcrack

图15　齿轮基材组织Fig.15 Base steel structure

图16　齿顶组织Fig.16 Addendum structure

图17　齿顶裂纹附近组织Fig.17 Structure near addendum cracks

5　显微硬度测量

齿尖淬硬层显微硬度（HV0.1）随机选择5个点测得582、579、554、549、554，齿根随机选择5个点测得硬度（HV0.1）为231、262、228、228、234，基材硬度（HV0.1）随机选择5个点测得228、229、228、233、228。可见齿根显微硬度与基材差不多，而齿尖显微硬度则明显高于齿根及基材，且符合表面感应淬火（零件碳含量0.33％～0.43％）HV>400的要求［1］。

6　讨论

齿轮的断裂为多源疲劳断裂，断裂源位于工作面一侧齿根应力集中部位。多数齿根部位低倍酸蚀可观察到裂纹存在，工作齿面磨损严重，这些说明齿轮制作工艺存在问题。

按照42CrMo钢齿轮轴的使用要求，采用调质处理，其外表面组织应为回火索氏体组织［2］。但仅齿尖淬硬层组织为回火索氏体，而齿腰及齿轮基材普遍存在较多贝氏体及少量铁素体，说明淬火工艺不合理，淬火冷却速度不足，零件没有完全淬透，其强度及硬度因此大大降低。尽管有时为了获得较好的强韧性配合，零件心部允许部分未淬透，但零件心部以外的其他部位不允许存在贝氏体和铁素体［3-4］。

齿轮表面淬火可以提高表面强度和耐磨性，但表面淬火不均匀，只有齿尖达到了表面淬火效果，齿根则几乎没有表面淬火，局部性能不足易造成齿面早期损坏［5］。而且表面热处理不均匀，会进一步导致齿轮抗疲劳性能下降。钢基内部存在疏松孔隙等缺陷也降低了齿轮的承载力。表面淬火硬化层不均匀，主要是由于齿轮在加热时位置放置不当、感应器喷水孔不均匀等原因造成［1］。

因此，为了防止此类齿轮断裂失效，可以通过选用性能稳定、冷却效果较好的淬火液，同时定期更换淬火液，以防其老化导致工作性能下降［1］，以及通过提高表面淬火时加热温度的均匀性以改善表面淬火组织的均匀性等途径加以解决［6］。

7　结论

齿轮断裂为多源疲劳断裂，断裂起源于齿轮根部。齿轮热处理工艺不合理导致基材存在较多贝氏体及少量铁素体，齿轮表面的淬硬层不均匀，亦导致齿轮的机械强度、耐磨性能和抗疲劳性能大大降低，在工作应力及应力集中作用下齿根部位产生较多裂纹，成为疲劳断裂起源，并不断扩展，最终导致齿轮断裂失效。

参考文献（References）

［1］王忠诚.热处理常见缺陷分析与对策［M］.北京：化学工业出版社，2008：247-258.

［2］李智丽，韩凤英，王权.42CrMo钢齿轮轴断裂分析［J］.金属热处理，2003，28（3）：19-20.

［3］侯婷，贾舒.太阳轮轮齿断裂失效分析［J］.工业加热，2013，42（3）：66-68.

［4］李建惠，刘英华，刘云霞.水冷柴油机齿轮轮齿断裂分析研究［J］.柴油机，2013，35（1）：37-39.

［5］赵玉梅，张红霞.汽车后桥从动齿轮的失效分析［J］.机械制造，2011（2）：71-73.

［6］王忠诚，齐宝森，李扬.典型零件热处理技术［M］.北京：化学工业出版社，2010：37.

（责任编辑：陈旷）

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

作者简介：张彦文（1972—），男，教授级高工，博士，研究方向：金属材料失效分析。

收稿日期：2015 - 03 - 02

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

中图分类号：TG113.255

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）03-0229-05