摘  要： 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)由于具有嚙合性能好、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲較小、齒輪承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型成套工業(yè)設(shè)備中。討論了某掘進(jìn)機(jī)減速箱中的斜齒輪，掘進(jìn)機(jī)在工作過程中減速箱里斜齒輪上有些齒已經(jīng)斷裂，對(duì)斷裂的齒輪齒根部的裂紋進(jìn)行了化學(xué)成分、力學(xué)性能分析，并進(jìn)行了維硬度檢測(cè)、微觀檢測(cè)。通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，找出了產(chǎn)生缺陷的微觀機(jī)制和影響因素。

　　關(guān)鍵詞： 斜齒輪；滲碳淬火；有效硬化層硬度；深度；高應(yīng)力低周疲勞斷裂

0 引言

　　齒輪是大型成套工業(yè)設(shè)備中重要的基礎(chǔ)部件之一。斜齒傳動(dòng)具有嚙合性能好、傳動(dòng)過程平穩(wěn)、噪聲較小、重合度比較大、輪齒之間的載荷相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了齒輪的承受壓力的能力，使斜齒輪傳動(dòng)在生活及生產(chǎn)領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用[1-2]。本文討論一種斜齒輪，它是某掘進(jìn)機(jī)內(nèi)減速箱中的斜齒輪，該掘進(jìn)機(jī)在工作4個(gè)月（估計(jì)累計(jì)工作1 000 h）時(shí)，減速箱里發(fā)出異常的聲音，隨后對(duì)減速箱進(jìn)行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)斜齒輪上有些齒已經(jīng)斷裂，有些齒因磕碰造成不同程度的損傷；在齒根部看到多處存在裂紋。本文對(duì)該缺陷進(jìn)行分析。

　　斜齒輪的材料：斜齒輪材質(zhì)為20CrNi4A，加工方法為鍛造、車銑、磨光，齒輪表面經(jīng)滲碳、淬火+低溫回火處理[3-5]。

1 對(duì)斜齒輪的成分及各種性能檢測(cè)

　　1.1 宏觀檢查

　　損壞的斜齒輪外形如圖1所示，斜齒輪上連續(xù)5個(gè)齒已經(jīng)斷裂，其他齒也有單個(gè)斷裂現(xiàn)象，斷裂大多發(fā)生在齒根部；多處齒輪最先著力側(cè)面的齒根部存在裂紋，也有一些裂紋在齒輪另一側(cè)齒根部形成，并與著力面齒根裂紋交匯，如圖2所示。觀察已斷裂齒的斷裂面，斷裂面上有裂紋擴(kuò)展不同階段形成的臺(tái)階，并隱約可見由該臺(tái)階一側(cè)向另一臺(tái)階發(fā)展的推進(jìn)弧線，如圖3所示。斷口形貌表明齒輪為高應(yīng)力低周疲勞斷裂。

　　1.2 化學(xué)成分

　　在斜齒輪中心部位檢測(cè)化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

　　1.3 力學(xué)性能檢測(cè)

　　在斜齒輪中心部位取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

　　1.4 維硬度檢測(cè)

　　在斜齒輪橫截面上，沿齒輪邊緣每間隔0.1 mm向內(nèi)進(jìn)行滲碳淬火有效硬化層硬度及深度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

　　1.5 微觀檢測(cè)

　　在出現(xiàn)裂紋的齒根部切取試樣制備后，用金相顯微鏡觀察，受力一側(cè)齒根部裂紋比較嚴(yán)重，裂紋口部呈喇叭口形，形貌如圖4所示；裂紋由表面向內(nèi)部呈鋸齒狀擴(kuò)展，并有多處分叉裂紋產(chǎn)生，分支裂紋較纖細(xì)，如圖5所示。齒根另一側(cè)裂紋口部垂直齒根表面，向內(nèi)部擴(kuò)展，其裂紋形狀平直，尾部纖細(xì)。最終齒根兩側(cè)裂紋延伸匯集在一處，合并成一條裂紋延伸心部。試樣經(jīng)浸蝕后觀察，所有裂紋兩側(cè)均無脫碳現(xiàn)象[3-6]。

　　試樣經(jīng)過5%硝酸酒精溶液浸蝕，低倍下可以看到滲碳硬化層輪廓及齒部熱處理后與基體出現(xiàn)不同的組織界面，如圖6所示。用金相顯微鏡觀察，齒廓部位滲碳硬化層組織為：回火馬氏體+少量碳化物+部分殘余奧氏體；齒根部位組織為：碳濃度較高的回火索氏體，部分碳化物呈網(wǎng)狀分布，如圖7所示；齒上部區(qū)域組織為：回火索氏體+少量貝氏體；基體（心部）組織為：索氏體。

　　基體非金屬夾雜物檢測(cè)：A0.5e B1.0e C0 D1.0e（按GB/Tl0561-89評(píng)定）。

　　1.6 斷口微觀分析

　　在斷裂處切取試樣進(jìn)行AMRAY-1000B掃描電鏡觀察，斷裂起源于齒根部，在齒根部有兩條裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋呈沿晶斷裂如圖8、圖9所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)清晰可見疲勞擴(kuò)展條紋的微觀形貌，如圖10所示。

2 檢測(cè)結(jié)果及分析

　　（1）齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果表明，符合材料的技術(shù)要求。

　　（2）斜齒輪力學(xué)性能檢測(cè)后，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯低于設(shè)計(jì)要求。

　　（3）斜齒輪有效硬化層深度為1.0 mm，技術(shù)要求為1.5 mm~1.8 mm，沒有達(dá)到技術(shù)要求；齒面檢測(cè)后的硬度為55 HRC，技術(shù)要求為58~62 HRC，接近技術(shù)要求下限。

　　（4）斜齒輪心部硬度為27 HRC，技術(shù)要求為36~45 HRC，也沒有達(dá)到技術(shù)要求，從斜齒輪母材顯微組織分析，沒有達(dá)到預(yù)期的熱處理效果。

　　（5）通過對(duì)斜齒輪顯微組織檢測(cè)，該齒輪齒根部硬化層過淺，并出現(xiàn)網(wǎng)狀分布的碳化物。齒輪的工作狀態(tài)要求表面硬度較高、耐磨，心部硬度相對(duì)較低、韌性較好。通常情況，齒輪表面一般采用滲碳淬火+低溫回火處理后使用。現(xiàn)該齒輪的表面使用狀態(tài)與理論要求的滲碳淬火表面處理使用狀態(tài)不相符。由于工藝上不合理，使其疲勞強(qiáng)度降低，齒輪在承受工作應(yīng)力時(shí)，過早地在齒根處萌生裂紋；該斜齒輪毛坯材料熱處理效果不佳，材料的強(qiáng)度與技術(shù)要求相差甚遠(yuǎn)，增加了裂紋擴(kuò)展的速率，降低了齒輪有效的使用壽命，導(dǎo)致齒輪提前失效斷裂。

　　（6）從斜齒輪斷裂的位置看，疲勞起源于齒輪的最先著力側(cè)面齒根部的應(yīng)力集中處。從微觀斷口，有明顯的三個(gè)區(qū)域即裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)，屬典型的疲勞斷裂。斷口貝紋線比較扁平，隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，因斜齒輪的最大正應(yīng)力平面發(fā)生變化，而使裂紋平面發(fā)生明顯的突然轉(zhuǎn)折，并在新的裂紋平面繼續(xù)擴(kuò)展，留下了臺(tái)階，該齒體斷裂。由二次源向擴(kuò)展的疲勞區(qū)所構(gòu)成。由于裂紋擴(kuò)展至斜齒頂部，齒體一部分先期斷裂，然后從二次源開始繼續(xù)擴(kuò)展，最后當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，齒體瞬時(shí)破裂。

　　根據(jù)上述斷口分析結(jié)果及斷裂形貌，認(rèn)為斜齒輪屬高應(yīng)力低周疲勞斷裂。

3 結(jié)論

　　該齒輪滲碳、熱處理是造成早期疲勞斷齒的主要原因。金相觀察表明，齒根部有位裂紋存在。質(zhì)料指出，表面淺層裂紋依次由貝殼狀向網(wǎng)絡(luò)狀、梳狀裂紋過渡（對(duì)應(yīng)于能量大到小）。斷口掃描電鏡證明該齒根表面存在微裂紋。此種裂紋是齒輪斷裂的禍根。

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