齿轮轴失效分析

曾书峰

[摘要]某齿轮传动分公司生产的齿轮轴产品，在使用一段时间后齿轮轮齿部分及齿顶部位多个轮齿出现起皮、掉块等剥落现象，对其进行解剖做全面试验分析。

[关键词]起皮 掉块 锻件致密性较 晶粒度粗大 马氏体及残留奥氏体 碳化物

一、概述

某齿轮传动分公司生产的齿轮轴产品，在使用一段时间后齿轮轮齿部分及齿顶部位多个轮齿出现起皮、掉块等剥落现象表面加工后继续使用约一年半时间，更换备件后，分公司在齿轮失效处取截面试片两片，受委托对该齿轮轴做失效分析。

二、试验分析

1.热酸浸试验。试验结果表明：锻件纯净度合格，但发现多处不致密区域，致密度较差，齿顶发现裂纹一条，系使用过程中较大应力作用下产生的。齿根部位有裂纹一条，深度为渗碳层深度，系淬火开裂，见图1～图2所示。

此外，低倍试片的轮齿靠近齿顶部位的齿面可观察到小裂纹若干，以及剥落掉块现象见图4所示。

2. 显微组织分析。

（1）基体的夹杂、晶粒度检验

夹杂：A类 2.0 级B类 0.5 级 C类 1.0 级D类 1.0 级DS类0.5 级

晶粒度：3.5级

试验结果表明锻件轴锻件微观纯净度合格，晶粒度3.5级，较粗大，为不合格。

（2）渗碳淬火质量检验

试验结果表明，齿轮轴心部组织正常，但马氏体及残留奥氏体为6级，碳化物5级，渗碳淬火质量问题严重。

（3）有效硬化层及心部硬度试验

有效硬化层深度检验结果为：

节圆1.843㎜，齿根0.750㎜（试验数据及曲线后附）

心部硬度：HRC29.58

试验结果表明，两者有效硬化层相差较大，根据“JB/T 6141.2-19923.2.2规定允许齿根部位的有效硬化层深度比节圆处小15%”判定，两者数值差以超过15%为不合格。

三、讨论

轮齿部位发现多处不致密区域，可见锻件整体致密度较差。齿轮轴心部组织为低碳马氏体+不明显的游离铁素体，基体组织状态不合格，节圆、齿根、齿顶部位马氏体及残留奥氏体，渗碳淬火时已严重过热，渗碳淬火工艺及操作、控制存在有严重质量问题。在使用过程中较大应力作用下产生的，其发展结果将导致剥落、掉块。

四、结论

1. 齿轮轴锻件轮齿部位纯净度合格，但致密度较差。

2. 齿轮轴基体晶粒度粗大，不合格。

3.齿轮轴渗碳淬火工艺及控制不当，造成马氏体及残留奥氏体及碳化物超级，不合格。

4. 齿轮轴齿顶角处裂纹是由于渗碳质量不佳，在使用过程中较大应力作用下产生的。

参考文献：

[1]大型铸锻件行业协会，大型铸锻件缺陷分析图谱编委会.大型铸锻件缺陷分析图谱[M].工业出版社.

[2]张栋，钟培道，陆春虎，雷祖圣.失效分析[M].国防工业出版社.

[3]孙盛玉，戴雅康.热处理裂纹分析图谱.大连出版社.