减速机轴齿失效分析

周惠芳，李宁，金一晨，秦晓光，邸帆，赵金铭

石家庄钢铁有限责任公司 河北石家庄 050100

1 序言

某公司在加工减速机轴齿过程中，发现一减速机轴齿存在孔洞缺陷，轴齿材料为16MnCrS5+H，加工工艺为：锯切下料→车削→滚齿→铣削端部（自动一次成形）等。本文通过宏观检查、化学成分分析、金相检验及扫描电子显微镜分析等方法，确定轴齿缺陷产生的原因，以便后续有针对性地采取改进措施。

2 宏观检查

目视观察减速机轴齿存在孔洞缺陷，缺陷宏观形貌如图1所示，该缺陷距离端部30～40mm，长×宽×深约为9mm×5mm×5mm，底部呈锥形并有一定倾角，内壁光滑。

图1 减速机轴齿缺陷形貌

3 失效分析

3.1 化学成分分析

轴齿材料16MnCrS5+H，在缺陷样品上取样进行光谱检验，该材料化学成分标准要求和轴齿的化学成分分析见表1，结果符合要求。

表1 化学成分分析（质量分数） （%）

3.2 金相检验

取图1a中白线所示位置的横截面为金相面进行检验，缺陷位置存在异常贝氏体组织，宽度约为1.5mm，如图2所示；缺陷表面存在一处异物镶嵌，经4%硝酸酒精试剂腐蚀后异物未被腐蚀，周围基体组织为贝氏体，如图3、图4所示；正常基体和正常轴齿尖部组织均为铁素体+珠光体[1]，如图5所示。

图2 缺陷位置金相组织（200×）

图3 缺陷边缘镶嵌物形貌和金相组织（200×）

图4 缺陷边缘至基体过渡区金相组织（200×）

图5 正常基体和正常轴齿尖部金相组织（200×）

将样品向缺陷底部进行解剖分析，缺陷周边有异常贝氏体组织，缺陷内沿异常组织较深，约为2.5mm，缺陷外沿约1mm，缺陷内沿一侧存在异物附着，且存在一个约0.1mm的凸起，内有附着物，缺陷周围组织未发现脱碳，如图6所示；正常基体组织为铁素体+珠光体，如图7所示。

图6 解剖分析缺陷位置形貌和金相组织（200×）

图7 正常基体组织（200×）

3.3 SEM扫描电子显微镜形貌分析

对镶嵌异物及缺陷周边进行SEM扫描电子显微镜分析，缺陷底部整体形貌如图8a所示，缺陷底部存在大量微裂纹，由浅往深延展至底部翘皮部位，如图8b和图8c所示。

图8 SEM扫描电子显微镜分析缺陷底部形貌

如图9所示，对镶嵌异物及缺陷周边进行能谱检验，缺陷内沿附着物及缺陷底部为氧化铁；缺陷底部存在异物残留，尺寸约0.47mm；异物组织与样品基体组织有明显不同，见表2。

表2 镶嵌物能谱分析结果（质量分数）（%）

图9 缺陷边缘和底部镶嵌物形貌

对疑似刀具进行SEM扫描电子显微镜分析，成分基本与镶嵌物一致，见表3。现场跟踪减速机轴齿加工工艺，发现加工过程中所使用的刀具与缺陷相似[2，3]，如图10所示。

图10 刀具

表3 刀具能谱分析结果（质量分数）（%）

4 结束语

综上所述，减速机轴齿缺陷表面和内部均残余少量异物嵌入，与样品基体成分明显不同，周边组织为贝氏体，凹坑周边无明显脱碳，内侧内沿有一层氧化铁附着，缺陷底部存在大量微裂纹，由浅往深延展至底部翘皮部位。

在进行现场加工工艺跟踪时发现，有一款刀具形貌跟用户缺陷位置接近，且刀具成分与缺陷处镶嵌物成分一致，可确定镶嵌物为刀具镶嵌至材料所致，可能为机械加工数控设备刀具行程中出现异常所导致。

金属零件在加工时，由于刀具材料、形状、几何角度及切削参数等因素影响，会导致被加工零件产生切削变形等缺陷。依据宏观形貌、高倍组织以及能谱检验结果，并结合减速机轴齿加工工艺跟踪情况，可以有针对性地提出改进措施，关注机加工刀具运行异常情况，关注刀具质量，避免因加工工艺影响质量。