减速机齿轮轴断裂分析

丁贤模（西门子机械传动（天津）有限公司，天津，300400）

减速机齿轮轴断裂分析

丁贤模
（西门子机械传动（天津）有限公司，天津，300400）

[摘要]针对减速机齿轮轴发生断裂现象，采用化学成分分析、断口分析、金相检验和力学性能测试对其原因进行了分析。结果表明，裂纹起源于键槽棱边应力集中处，向内疲劳扩展至断裂；棱边形状尖锐，弯曲应力集中较为严重，齿轮轴旋转时出现一定的弯矩载荷，棱边即能萌生裂纹源，引发疲劳断裂。分析结果为避免同类轴再次发生断裂提供了参考。

[关键词]齿轮轴；键槽；断口；疲劳断裂

1　引言

减速机的齿轮轴结构是机械设备中常见的重要设备，它本身设计的合理与否影响到整个设备的安全运行。某减速机上的齿轮轴，材料牌号为18CrNiMo7-6。齿轮轴的生产工艺为：加工→渗碳→淬火→磨齿→精加工。该齿轮轴在今年3月份安装、调试、运行，10月份发生开裂。通过综合分析该轴断裂的基本原因，从而采取改善措施。

2　齿轮轴的失效过程

齿轮轴的设计见图1，轮齿的左侧加工直径三级递减的轴，轴的中部加工键槽。键槽处装配传动齿轮，键槽两侧的粗轴和细轴上分别装配轴承。齿轮轴在变径处发生开裂，如图1红色方框所示位置，轴在开裂处发生相对转动后，键槽随之错开分离成两部分。开裂面的左侧粗轴上的变截面边部残留键槽的半圆形端部，变截面的其他边缘向外翻卷变形，是键槽上装配的齿轮端面发生轴向窜动挤压所形成[1]；右侧细轴保留相对完整的矩形键槽，槽底面的中部高温受热泛蓝。装配轴承的粗轴表面颜色发黑，积存油污，可观察到清晰的机加工痕迹，没有明显的磨损过热特征。

图1　齿轮轴的宏观形貌

3　理化检验结果

3.1材料化学成分分析

从齿轮轴端部取样进行材料化学成分分析，结果见表1。参考德国DIN-EN标准渗碳结构钢（DIN 17210）中18CrNiMo7-6的化学成分规范，齿轮轴材料的化学成分符合18CrNiMo7-6的成分规范要求。

表1　材料化学成分分析结果　/ωt%

3.2材料力学性能测试

在齿轮轴端部、远离断口区域制取3个Φ5 mm棒状拉伸试样和3个冲击试样（尺寸为10 mm×10 mm×55 mm），进行室温拉伸和冲击试验，结果见表2。表中同时提供了DIN-EN标准渗碳结构钢（DIN 17210）中18CrNiMo7-6的力学性能规范，可见材料拉伸力学性能符合18CrNiMo7-6的规范要求。

表2　拉伸力学性能试验结果

3.3金相组织

扩展区断口截面金相结果如图2所示。从宏观形貌看，截面金相明显分为3个区域，编号A、B、C。A区域为正常组织区域，为回火索氏体组织。B区和C区颜色明显浅于A区；B区域为贝氏体+回火索氏体，含有条带状板条马氏体组织；C区为保持马氏体位相的回火索氏体组织。可以看出，基体组织为回火马氏体组织，组织不均匀。近断面处有明显脱碳，出现铁素体组织，脱碳深度在0.15 mm左右。金相分析结果表明，轴断面相对旋转产生高温，使得心部组织发生改变[3]。轴原始组织为回火索氏体，组织不均匀。

3.4硬度检测

在A、B、C区进行显微维氏硬度测试，结果如表3所示。可见A区硬度明显低于B区和C区，表明A区也有过热软化现象。

图2　金相组织图

表3　不同区域显微维氏硬度（HV0.2）测量结果

图3　远离断口区域的组织

图3为远离断口区域的组织，从结果可以看出，基体组织为回火马氏体组织，组织不均匀，显微维氏硬度分析结果表明，颜色较深的区域平均硬度348.3HV0.2，颜色较浅的区域平均硬度442 HV0.2。

4　齿轮轴断口分析

4.1宏观分析

齿轮轴的断面形貌如图4所示。断面从表面到心部分布许多不同直径的同心挤压圆环，圆环表面较为光滑明亮，是裂后的两断面发生多周次的轴向旋转挤压所致。近表面的圆环有些断续，如图中断面的右下角，断续区在矩形键槽附近，呈现断口形态，断口较为平坦，没有明显塑性变形，具有疲劳断口的形貌特征[2]。断面的1/2半径附近有一处面积很小的起伏断口。从断口宏观形貌分析表明，减速轴在变截面处发生疲劳断裂，两断面在扭转和轴向应力的作用下发生多周次的旋转挤压，大部分原始断口被破坏，粗轴变截面边缘受到轴向挤压向外卷曲。

图4　断口宏观形貌

4.2微观分析

图5（a）、（b）为键槽棱边及其附近断口的形貌，低倍观察，棱边圆角不明显（R≤0.4）。键槽棱边附近断口较为平坦，呈蠕虫状的沿晶裂开形貌，附着许多高温氧化物。扩展区隐约可见疲劳条带，疲劳条带以键槽棱边为中心呈弧线形向前扩展。键槽侧壁中部的断口摩擦挤压较为严重，呈现自由凝固的高温熔融形貌，局部有韧窝状断口。

图5（c）为轴边部疲劳扩展区的断口形貌，附着许多粒状氧化物。

图5（d）为轴内部的起伏断口形貌，断面能观察到斜向韧窝断口形貌和沿晶形貌，局部区域能观察到高温受热圆钝的形貌。

图5　断口形貌

微观断口分析结果表明，轴在变截面处首先发生疲劳开裂，起裂源位于键槽棱边，断面大面积呈现熔融状高温形态。

5　结论

上述分析结果表明：齿轮轴化学成分、拉伸力学性能均符合相关标准的规范要求。断面大部分区域呈熔融状表面形态，表层出现严重脱碳，形成铁素体组织，表明轴在变径处开裂后，断面发生高速旋转挤压摩擦[4]，摩擦生热的温度在900℃以上。

轴起裂于键槽棱边应力集中处，向内疲劳扩展至断裂。棱边形状尖锐，弯曲应力集中较为严重，齿轮轴旋转时出现一定的弯矩载荷，棱边即能萌生裂纹源，引发疲劳断裂。

参考文献

[1]李智丽，韩凤英，王权，等. 42CrMo钢齿轮轴断裂分析[J].金属热处理，2003，28（3）：74-75．

[2]陈刚.齿轮箱轴断裂分析[J].理化检验———物理分册，2012，48 （5）：334-336.

[3]姚淑萍，李瑛颖，董霞，等.齿轮轴断裂分析[J].理化检验———物理分册，2008，44（3）：162-164.

[4]朱波，付兴元.减速机齿轮轴断裂分析[J].热处理，2012，27（3）：73-75．

Analysis on Reducer Gear Shaft Breakage

DING Xian-mo
(Siemens Mechanical Drive Systems [Tianjin] Co., Ltd., Tianjin 300400, China)

AbstractAiming at the problem of breakage at reducer gear shaft, the author analyzes the cause from aspects of chemical composition analysis, fracture analysis, metallographic inspection and mechanical properties test. Analysis results show that the crack originates from the stress condensed area at keyway edge where inner fatigue extends until breakage occurs. Due to its sharp shape, the edge is seriously condensed with stress. During gear rotation, certain bending moment load generates and crack source comes into being at the edge which causes fatigue breakage. The analysis results provide reference for avoiding the breakage of the same kind of shaft.

Key wordsgear shaft; keyway; fracture; fatigue breakage

作者简介：丁贤模（1963—），男，本科，工程师，主要从事金属材料及热处理方面的研究工作。

收稿日期：2015- 01- 05修回日期：2015- 01- 20

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.02.010