齿轮弯曲疲劳断裂失效分析

吴佩泽，周晓红，闫雪侠

西安煤矿机械有限公司 陕西西安 710200

1 序言

采煤机齿轮传动分闭式和开式两种，闭式传动齿轮的主要失效形式是轮齿弯曲疲劳断裂，齿面接触疲劳破坏，齿面胶合和塑性变形。目前，我公司齿轮产品失效的问题主要是使用中出现的断齿现象和生产中出现的磨齿裂纹。这里主要从齿轮心部硬度、齿根硬度和齿根圆角对齿轮弯曲疲劳破坏方面进行失效分析。

2 失效分析

2.1 心部硬度

齿轮的心部硬度值是一个综合性指标，其承载特性对强度和韧性都有严格要求，且心部硬度的高低也在一定程度上反映心部组织[1-2]。齿轮心部淬火后的硬度值高低受材料、尺寸和冷却方式等因素影响。国标对材料化学成分的要求是一个范围，因此即使同牌号的材料由于成分波动也会导致淬火后硬度高低不同。齿轮心部的提高会在一定范围内提高弯曲疲劳强度，但当硬度超过一定值时，会使工件表面存在不利的残余应力，反而使疲劳强度降低[3]。国内外试验表明：为提高大模数、深渗层齿轮件综合性能，应将心部硬度控制在33~42HRC[4]。齿根心部硬度对疲劳强度的影响如图1所示。

目前，我公司的齿轮材料主要是18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A合金渗碳钢。对于心部硬度要求为38~42HRC，相比上述范围要求更加严格。工艺层面上达到要求的硬度并不难，但国内材料如18Cr2Ni4WA钢wC为0.13%~0.19%，20Cr2Ni4A钢wC为0.17%~0.23%，不同进厂批次的材料化学成分也存在偏差。根据我公司多年的检测结果来看，不论工艺如何改进，要将心部硬度控制在要求的范围内都是有一定难度的。鉴于此种情况，应对进厂原材料的化学成分制定更为严格的企标。

图1 齿根心部硬度对疲劳强度的影响

2.2 齿根硬度

我公司齿轮的热处理工艺主要分为两类：渗碳+整体淬火；渗碳+调质+表面淬火。对于花键联结的齿轮，受花键加工刀具硬度制约，对此类齿轮的工艺只能采取后者。对于表面淬火的齿轮，硬化层深度不应小于齿轮模数的15%，且硬化层应包括齿根圆角部分。因此，热处理的问题就是在表面淬火时，如不能将整个齿（包括齿的心部）完全加热和冷却，当齿的圆角不能淬硬时，齿根硬化层浅或没有，其疲劳强度仅为硬化后的50%~80%。理想的加热透热范围如图2所示。

图2 齿根加热层范围

根据多次断齿检测结果，如图3所示断齿的径向截面热透入深度宏观图，发现一部分齿根部没有透热，没有达到有效的硬化层，其弯曲强度大打折扣。但目前的检测手段无法直接对表面淬火齿轮齿根硬度进行准确检测，只能通过检测端面齿根对应部位硬度或是进行破坏性检测。因不能实时检测就会使个别不合格产品转到下道工序，在实际使用中存在隐患。

图3 齿根加热深度

2.3 齿根圆角

齿的弯曲折断主要是因齿根处应力过大，工作中受交变应力产生疲劳裂纹，最后在某峰值应力下断裂。齿轮齿根圆角部位的应力集中也是影响齿轮弯曲疲劳的重要因素[5]。为了减小齿轮根部应力集中，工艺要求规范齿轮倒角，但实际倒角时常因操作不当形成了豁口，没有达到减小应力的目的，反而会形成新的应力集中点，使齿根应力增加很多。此外，齿根过渡圆角的大小受齿根圆直径和有效起始圆直径的限制，必须使过渡曲线在配对齿轮齿顶的啮合处与其齿廓相切，即切点不能高于有效起始圆直径并与齿根圆相切，所以理想的过渡曲线应为单圆弧。

3 结束语

1）为达到较高的弯曲疲劳强度，需将齿轮心部硬度控制在一定范围内。

2）对于表面淬火齿轮齿根透热层应大于渗碳层并包括齿根圆角部位。

3）齿轮轮廓倒圆角时，不能产生豁口且过渡曲线应为单圆弧。