齿轮轴齿根部裂纹产生原因分析

王洪如

(江苏省产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007)

0 前言

某减速机制造企业生产的大型减速机的齿轮轴，图纸上标明该齿轮轴锻坯的材料牌号为42CrMo，在齿根部发现有裂纹产生造成齿轮轴失效。该齿轮轴根部裂纹被怀疑是锻坯质量所致，江苏省产品质量监督检验研究院对该齿轮轴裂纹进行检验，并分析了裂纹的产生原因是热处理引起的。

1 理化检验

1.1 宏观分析

齿轮轴外观如图1所示。在齿轮轴的齿根部观察到有裂纹存在，裂纹大多在同一侧齿根部，呈断续状分布，裂纹开口较小，长约200～300 mm，如图2所示。从齿根部的横截面观察，可以看到裂纹的最深处约15 mm，如图3所示。在齿轮轴的啮合面未发现有明显碾压痕迹，也未发现该齿轮轴存在过载运行的宏观特征。

图1 齿轮轴外观Fig.1 Picture of gear shaft

图2 齿根部裂纹外观Fig.2 Appearance of tooth root

拨开裂纹，观察断口可知，靠近齿根表面附近的断口区域较为平坦细腻，其余区域断口较粗糙。同时可见裂纹扩展条纹，从扩展条纹的方向可以判断，裂纹是由齿根部的表面开始，向内部扩展。断口色泽灰暗，有轻度氧化，无明显的塑性变形特征。

图3 齿根部裂纹横截面外观Fig.3 Cross-section appearance of crack at tooth root

1.2 化学成分分析

对齿轮轴的化学成分进行分析，得到的结果如表1所示。由测试结果可知，该齿轮轴的化学成分符合JB/T6396－2006《大型合金结构钢锻件 技术条件》标准中42CrMo钢的技术要求。

表1 齿轮轴锻坯化学成分Tab.1 Chemical compositions of forging stock for gear shaft

1.3 显微组织分析

齿轮轴的显微组织照片如图4所示，该齿轮轴已经过表面硬化处理，其齿根部表面有一硬化层，表层组织为马氏体 (图4a)，次表层组织为铁素体+马氏体+珠光体 (图4b)，部分区域有魏氏组织特征，而齿轮轴的心部组织为铁素体+珠光体 (图4c)。

图4 齿轮轴的显微组织Fig.4 Microstructure of gear shaft

裂纹起始于齿根部R角处，裂纹呈断续状向内发展，如图5a所示。从图5b中可以看到裂纹在表层和次表层组织的交界处有明显的错位特征。裂纹两侧的组织与裂纹附近区域无明显区别，都存在魏氏组织的特征，且未发现氧化脱碳现象，如图5c和图5d所示。

1.4 扫描电镜显微分析

图6a为裂纹起始区域的扫面电镜形貌照片，可以看到明显的沿晶断裂特征［1］。裂纹扩展区断口的微观特征则主要为河流状花样，表现为解理断裂为主［1］，如图6b所示。局部区域有少量的韧窝花样和极少量的准解理花样，同时局部可见有二次裂纹，如图6c所示。

图5 裂纹处显微组织Fig.5 Microstructure at crack

1.5 力学性能分析

图6 裂纹的扫描电镜显微分析Fig.6 Analysis of cracks by means of scanning electron microscope

齿轮轴的拉伸、冲击以及硬度测试结果如表2所示。由测试结果可知，该齿轮轴基体的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均符合42CrMo钢调质状态的技术要求。由硬度测试结果可知，该齿轮的表层硬度值符合图纸要求的表面淬火的硬度值，同时其心部基体硬度值也符合图纸中调质状态的技术要求。

表2 力学性能测试结果Tab.2 results of mechanics performance testing

2 综合分析

分析可以看出，齿轮轴的化学成分符合42CrMo钢的技术要求。该齿轮轴的强度和塑性性能指标也均符合42CrMo钢调质处理后的技术要求。表层和心部基体的硬度值也符合图纸中的技术要求。

从宏观分析可知，齿轮轴的齿部未发现过载运行的特征，裂纹均位于齿根部R角处，裂纹开口较小，且呈断续状分布。从其断口上裂纹扩展条纹的方向可以判断裂纹起始于齿根部的表面，且断口无明显塑性变形特征。而由金相分析可知，裂纹也是起始于齿根部的R角处，呈断续状由外向内发展，裂纹两侧边缘无氧化脱碳现象，排除了锻造裂纹的可能性［2］。同时，裂纹在表层和次表层组织交界处有明显的错位特征，表明了有过大的组织应力的存在。此外，在齿轮轴的次表层区域的组织中有部分魏氏组织特征，而心部组织中无魏氏组织存在，魏氏组织的出现表明该齿轮轴存在热处理工艺不当。

由扫描电镜显微分析可知，裂纹起始区的微观形貌主要表现为沿晶断裂特征，而裂纹扩展区的形貌则以解理断裂为主，局部有二次裂纹、少量韧窝和准解理花样，排除了应力腐蚀、腐蚀疲劳以及疲劳断裂的可能性。

3 结论

裂纹均位于齿根部R角处，呈断续状由外向内发展，裂纹两侧边缘无氧化脱碳现象;在齿轮轴的次表层区域的组织中有部分魏氏组织特征，而心部组织中无魏氏组织存在，表明该齿轮轴齿根部出现的裂纹是齿轮加工过程中的热处理工艺不当造成的。

［1］崔岳贤，王长利.金属断口分析 ［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1998.

［2］孙智，江利，应展鹏.失效分析——基础与应用［M］.北京:机械工业出版社，2005.