曲轴齿轮断裂失效原因分析

■张晓云，成忠，于彦峰

曲轴齿轮断裂失效原因分析

■张晓云，成忠，于彦峰

我公司生产的某型船用柴油机曲轴齿轮图样要求材料牌号为12CrNi3A GB/T3077—1999，渗碳层深度0.9～1.3mm（工艺渗层深度1.1～1.5mm），渗碳层硬度58～61HRC。

该零件的加工工艺过程为：原材料进厂检验→下料→锻造齿坯→齿坯加工→滚齿→齿形几何精度检验→渗碳→去碳层→淬火及回火→齿形精加工+磨齿形→清理轮齿、防锈和包装。由于仅保留齿面的碳层，因此该齿轮齿面硬度高，心部综合力学性能好。该齿轮使用约100h后，产生齿轮断齿事故，断齿断口及未断裂齿宏观形貌如图1所示，对断齿齿轮进行无损检测后发现有些（未断裂）齿的齿面存在裂纹（见图2）。

1.材料分析

原材料为12CrNi3A，具体化学成分见附表。

2. 试验过程与结果

断口形貌分析：该齿轮3个相连的齿都从齿面节圆附近开裂，向另一齿面的齿根和齿宽方向扩展，最终断裂，裂纹形貌见图3、图4。

用硬度法检测渗碳层深度（见图5）及硬化层曲线（见图6）。可见，硬化层深：有裂纹齿面一侧0.73m m，另一侧0.75m m；无裂纹齿面一侧0.78mm，另一侧0.81mm。硬度检测：有裂纹齿面硬度为56.3HRC、56.7HRC；无裂纹齿顶硬度为56.5HRC、56.2HRC。硬度及层深均不满足图样要求。

图1　断齿断口及未断裂齿宏观形貌

图2　未断轮齿齿面着色检测，可见渗透显示的位置与分布

图3　未经腐蚀的裂纹形貌

图4　腐蚀后的裂纹形貌

图5　层深检测

图6　硬化层曲线

12CrNi3A化学成分（质量分数）　　　（%）

3. 结语

由图可以看出断面有油污，清理后呈灰色，齿断于节圆附近，断口上可见到明显的疲劳沟线和疲劳弧线。齿轮在啮合过程中，节圆部位主要承受周期性压应力和滚动（或滑动）引起的切应力作用，是应力比较集中的部位，该部位容易产生疲劳裂纹源。此外，由于渗碳层深度不足，导致零件表面硬度偏低，在高循环应力作用下，疲劳裂纹形成后沿齿宽方向（渗碳层）快速扩展，最终在齿上形成浅而长的疲劳裂纹，导致齿轮断裂失效。

张晓云、成忠、于彦峰，陕西柴油机重工有限公司工艺研究所。