减速机齿轮开裂的失效分析

周吉生

（河南科技职业大学机电工程学院）

减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮(或蜗杆、齿轮-蜗杆)传动所组成的独立部件，一般在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程机械及石化等行业有极为广泛的应用[1]。某减速机在装配后试运行时发生异响，打开减速机壳体发现其锥齿轮小端部位出现了掉块，其二维平面见图1所示，减速器齿轮长302mm，模数11，大端模数10.68，速比3.545，在装配后试车15min后发现齿轮出现碎裂，其服役环境是在有润滑油的封闭箱体内，Z高转速为1850r/min，输出扭矩12000N·m，这种齿轮的早期失效会导致减速机不能正常服役，从而延长了交货期限。生产单位决定对本批次总共27台减速机齿轮的风险进行评估，对开裂的齿轮进行了失效分析以便于采取相应的针对性措施。

图1　失效齿轮零件图的二维平面图

01　失效背景

齿轮机加工流程为:下料→锻造→调质→粗车(各个表面至3.2μm)→半精车(各个表面)→滚齿→倒角→渗碳→车螺纹部位渗碳层→淬火+低温回火→磨齿(内孔、端面)→清洗→强化喷丸→清洗→成品检查入库。其锻造温度为1200℃，调质工艺为880℃×2h油冷淬火+530℃×2.5h高温回火，半精车∅43mm、∅57mm、∅65mm、∅70mm、∅174mm、∅34.5mm，渗碳淬火工艺为920℃×6h渗碳+830℃×2h油冷淬火+200℃×3h低温回火，磨齿成形精度至0.8μm，喷丸覆盖率120%。其断口见图2a所示，在齿轮小端(见椭圆区)出现了开裂，小端的尖角部位从体上出现了剥落，断口近似呈三角形，长度24mm，宽度8mm，见图2b所示，断口的外周边是渗碳淬火层。将断口进行超声波+丙酮清洗并在VHX-6000数码显微镜下观察，见图2c所示，可看出断口芯部有白色亮点(见椭圆区)，从白色亮点位置向四周扩散的纹路，说明此处就是所寻找的裂纹源，要对此处进行重点分析。图2d是裂纹扩展区的裂纹形貌，从图中可看出是解理断裂，部分晶粒表面受到了磨损;图2e是图2b方框位置的断裂形貌，此处是断口的渗碳层位置，可看出该处的断口是沿晶+撕裂棱，说明该处的硬度较高;但是图2d和图2e的形貌无异常，可知其成分也无异常。

图2　失效齿轮零件图

02　原因分析

2.1材料成分检验

齿轮的材料是20CrMnMo合金钢[2],在靠近M36螺纹处和芯部分别取厚度为12mm试样,依据GB/T4336－2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法》,用CX-9600直读光谱仪检测化学成分，结果见表1;和GB/T3077－1999《合金结构钢》中规定的元素相比，渗碳层区的含碳量较高，其余元素符合国家标准。

表1　齿轮的化学成分(质量分数)%

2.2显微组织及硬度检验

减速机齿轮的表面要求渗碳，其有效硬化层深为1.8～2.1mm，表面硬度要求59～64HＲC，芯部硬度要求34～40HＲC。在图2b中方框位置取垂直于齿部样块，然后打磨、抛光，再用3%硝酸酒精腐蚀，在VHX-6000数码显微镜下观察其表面和芯部的显微组织见图3a和图3b。据GB/T13298－1991《金属金相组织检验方法》和GB/T25744－2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》，表面显微组织为M针+A残可评为2级，芯部为M低碳+F游可评为3级，均符合技术要求。据GB/T9450－2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》,用DHV-1000显微维氏硬度计对齿部测量，表面硬度为62HＲC(维氏换算洛氏，下同)，芯部硬度为38HＲC，符合技术要求，有效硬化层深为2.5mm，超过技术要求。

图3　齿轮的显微组织

2.3断口微观形貌及能谱分析

利用ZEISS-EVO25扫描电镜观察图2c中断口裂纹源处微观形貌，见图4a，可看出裂纹从此处向外发散，对方框区的夹杂物进行能谱分析，见图4b所示，能谱显示O、Al、Ca、Mg等元素具有较高的衍射峰。图4d、图4e、图4f分别是对图4a区域进行Ca、Al、Fe元素的面扫描。

图4　断口的微观扫描及能谱分析

可见:裂纹源位置的Ca、Al素较为明亮，表明该元素在裂纹源位置含量较高，而Fe元素面扫描上出现孔洞，说明裂纹源区Fe含量较少，由此可知裂纹源处是O、Al、Ca、Mg组成的非金属夹杂物。这会破坏基体组织的连续性，形成应力集中，恶化力学性能[3]。图4a中的椭圆形区域是正常断口(非裂纹源区)区，对其进行能谱分析，见图4c，该区化学元素质量分数为:Fe91.4%、C3.9%、O1.8%、Cr1.2%、Mg0.7%，没有Al、Na其他杂质元素，均是正常合金元素，说明该处材料正常。

03　分析与讨论

对减速机齿轮进行检测，其材料成分、金相组织、表面硬度符合技术要求，导致齿部出现开裂的主要因素为:

(1)淬硬层深超过技术要求，齿轮经渗碳以后，其齿部是含碳量较高的过共析钢，芯部仍然是亚共析钢，在油中进行淬火冷却时，表层首先冷却，芯部次之，当温度冷却到马氏体转变温度Ms时，表层首先转变成马氏体，体积增加，表层材料有向外“膨胀”的趋势，这会对芯部材料形成“拖拽”作用，导致芯部受到拉应力，此时表层材料受到向内的压应力。芯部材料含碳量较低而有较高的马氏体转变终了温度Mf，随着冷却的进行，当温度低于芯部马氏体转变终了温度Mf时，芯部组织停止转变，表层材料含碳量较高，有较低的马氏体转变终了温度Mf，在室温下会继续转变，这会导致表层向外涨大的趋势会一直进行，芯部受到的拉力会逐渐增加[4];齿部有效硬化层越深，这种应力效应越明显，这是导致齿轮从芯部开裂的第1个原因。

(2)经扫描电镜分析，裂纹源位于齿的内部，且有较多的O、Al、Ca、Na等元素组成的非金属夹杂物[5],这些夹杂物硬度较高，比如Al2O3，其莫氏硬度为9，几乎没有塑性;这些硬度较高的非金属夹杂物会破坏基体组织的一致性和连续性，在受到外力作用时，高硬度的夹杂物颗粒不产生变形，其颗粒尖角会对基体组织产生强烈的“切割”作用，这会在夹杂物周围产生高度的应力集中形成裂纹源[6],再加上内部受到较大的拉应力，导致裂纹从内部扩展，这是开裂的第2个原因。

综上可知，齿轮开裂原因首先是有效硬化层过深，其次是材料芯部有夹杂物。经过对热处理工艺进行追溯，发现齿轮进行了混装拼炉，导致渗碳时间过长，改进措施是不允许拼炉混装。另外，发现供应商为了降低成本，把本该用特钢的材料换成普钢材料，导致夹杂物增多，造成早期失效，改进措施是指定特钢公司，不允许随意更换材料。经过采取上述措施，改进后齿轮的渗碳层组织为2级M针+A残，硬化层深度为1.9mm，夹杂物评定为1.5级，均符合技术要求，彻底解决了齿轮的开裂问题。

04 结论

(1)齿轮的化学成分符合20CrMnMo钢，硬度和显微组织符合技术要求，但有效硬化层深2.5mm超过了技术要求(1.8～2.1mm)。经扫描电镜分析，裂纹源位于断口内部且有较多的O、Al、Ca、Mg等组成的非金属夹杂物。

(2)首先，齿轮的硬化层深超过了技术要求，这会导致芯部受到较大的拉应力;其次，齿轮的基体中含有较多的O、Al、Ca、Mg等非金属夹杂物，这些夹杂物割裂基体，容易产生应力集中，是导致开裂的第2个因素;2个因素的综合作用，导致了齿部出现了早期开裂。

(3)有针对性地采取改进措施，首先不允许拼炉混装，规范热处理工艺;其次将原材料由普钢改为特钢，减少材料中夹杂物。通过上述改进，减速机齿轮再也没有发生过早期开裂失效，彻底解决了问题。

本文来自：《材料保护》2019年11月15日