工程机械变速箱齿轮断齿失效分析

天同宏基集团股份有限公司 （山东 261200） 罗长平

潍柴动力股份有限公司 （山东 261069） 罗长增

某型号工程机械在使用过程中发生故障，拆解齿轮箱后发现有一传动齿轮断齿，其他零件未见异常。查阅相关技术文件后得知，此齿轮箱使用年限较短（1年左右），随后进行失效分析，确定问题根源所在，以进行有效改善。

1. 试验分析

（1）宏观形貌观察 传动齿轮断齿后的照片如图1所示，断口无锈蚀，从齿根处断裂。

图1 断齿齿轮照片

（2）低倍试验分析 对断齿化学成分进行检测，其成分含量符合20CrNi2Mo的元素含量要求。断齿热酸浸试验，结果如表1所示，试验结果表明，锻件虽然合格，但致密度、均匀性较差。

表1 热酸浸试验结果

低倍新开断口试验表明，断口为结晶状+少量层状，而通常层状断口与夹杂物有关。

（3）微观组织结构分析 非金属夹杂物按GB/T 10561－2005评定，结果如表2所示，A类夹杂物>3级，C类3.0级位于上限，表明纯净度差，不合格。

表2 非金属夹杂物评定结果 （级）

组织、晶粒度分析结果如表3所示，齿轮组织为低碳马氏体+贝氏体+铁素体，属淬火冷却不足组织，晶粒度3.5～4.0级不合格。组织状态不正常，有铁素体出现表明，淬火冷却速度偏低。

表3 组织、晶粒度分析结果

齿轮断齿部位，在抛光状态下可见单侧节圆附近有大量沿晶裂纹，宽窄不一，另一侧无裂纹。

齿轮金相组织等检测结果如表4所示，马氏体及残留奥氏体组织为不合格，齿轮渗碳淬火温度偏高，心部硬度偏低。齿轮部位马氏体及残留奥氏体组织超级，属不合格，表明淬火温度偏高。齿表面硬度52～56HRC，硬度偏低，渗碳淬火质量欠佳。

表4 齿轮金相组织检测

图2 金相组织照片

2. 讨论与分析

（1）齿轮化学成分符合20CrNi2Mo材质要求，微观非金属夹杂物检测不合格，锻件纯净度、致密度、均匀性差，说明宏观低倍层状断口与夹杂物有关。

（2）齿轮组织为低碳马氏体+贝氏体+铁素体，晶粒度3.5～4.0级不合格；齿轮部位马氏体及残留奥氏体组织超级，齿轮表面硬度低，心部存在较多的游离铁素体。轮齿的塑性变形总是齿轮接触区域承载的应力超过金属屈服强度的结果，最终导致齿轮在过应力下产生波纹状塑性变形及轻度毛刺形飞边。波纹状变形产生在表面硬化的齿轮上，不一定立即失效，而是代表过载的迹象，作为将要失效的警告，应当及早发现。

（3）齿轮断齿的裂纹源萌生于齿根部位，属于高应力载荷脆裂，开裂原因系锻件纯净度差、组织不良，导致材料力学性能指标不足，一旦超过材料强度极限，裂纹即萌生、扩展，最终导致断齿。

综合分析认为，轮齿一次性过载折断失效的主要原因是齿轮材料渗碳淬火质量欠佳和过应力两者共同作用产生的。过应力来源为单纯的冲击载荷或很少有的高水平载荷。可能的原因有：使用过程中突然的冲击过载；较大外来物质进入配对的齿轮轴之间；齿轮加工产生的周节累积误差以及外轮廓齿形偏差，导致啮合时产生冲击或异常振动等。

3. 改进措施与建议

（1）加强铸造和锻造工序的质量控制，降低非金属夹杂物含量。

（2）根据工件材料以及外形尺寸选择合理的热处理工艺，确保渗碳淬火组织满足技术要求，采取措施减少渗碳淬火过程中的变形，减小由于变形引起的后期齿轮加工过程中的偏磨等现象引起的齿轮表面硬度降低。

（3）对齿轮变速箱进行定期保养与维护，延长使用寿命。