导语：减速机齿轮失效原因分析

减速机齿轮失效原因分析报告

文/尹松森，李军迎，张国宏，刘洋洋，张福嘉·第一拖拉机股份有限公司铸锻厂

减速机是机械设备中重要的传动系统，其运行状态的稳定性对于设备系统的整体性能具有重要影响。齿轮作为减速机的关键零部件，在传递动力及改变速度的运动过程中，啮合齿面既有滚动，又有滑动，并且齿轮根部还受到交变弯曲应力的作用。在上述不同应力作用下，受恶劣工况因素影响，齿根和齿面易发生失效，甚至造成设备停机，影响生产效率。齿轮的失效形式多样，常见的形式为齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合与划痕、齿根疲劳裂纹和断齿。

齿轮材料一般选用合金渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、35CrMo、40Cr 等，齿轮毛坯一般经过下料→加热→锻造→预先热处理→粗车端面和外圆→铣齿和键槽→最终热处理等多道冷热加工工序，以获得较高的表面硬度和良好的心部韧性，使齿轮具有高耐磨，耐疲劳等综合性能。预先热处理通常采用正火以细化晶粒，降低硬度以获得良好的切削加工性能，为后序最终热处理做好金相组织准备。最终热处理主要采用渗碳、渗氮、氮碳共渗及感应淬火，以获得高硬度和耐磨性，提高其疲劳强度和使用寿命。

本文介绍的减速机齿轮采用该渗碳工艺进行强化处理，该齿轮在使用过程中多次出现失效断齿问题，已严重影响产线的顺利生产，为解决这一问题，有必要对该齿轮失效原因进行全面分析。

齿轮材料为40Cr，其结构简图如图1 所示，预先热处理方式为正火处理，硬度要求156 ～207HB。最终热处理工艺为渗碳淬火，有效渗层深度大于等于0.35mm，表面硬度要在58 ～62 HRC 之间。

图1 齿轮零件结构简图

断口分析

断口宏观及微观分析

减速机齿轮是减速箱中间齿轮轴的输出端齿轮，齿轮齿数45 个，5 个断齿，1 个出现磨损和剥落，如图2 所示。从断口的宏观形貌来看，齿轮断裂处位于齿部齿根处，为发生断裂的裂纹源；整个断口分为3 个区域，裂纹萌生区和扩展区域面积较小，断口无宏观塑性变形，无疲劳特征：最终瞬断区约占断口80%，说明发生断裂时承受应力或外力过大，此区域表面较粗糙，呈灰色，断口呈现放射性条纹，属于脆性断裂。齿轮内圈与传动轴间接触面有明显磨损情况，表面呈黑色条带状，长度约占内圈周长的1/4(图3)。

图2 齿轮外观及断裂形貌

图3 内孔表面磨损情况

从断口处进行取样，用蔡司EVO 18 型扫描电子显微镜进行微观分析，齿轮断口开裂源位置为沿晶+少量韧窝特征(图4)，裂纹扩展区域为准解理特征(图5)，最终瞬断区为沿晶+少量韧窝特征(图6)。

图4 开裂源微观形貌(1000×)

图5 裂纹扩展区微观形貌(1000×)

图6 最终瞬断区微观形貌(1000×)

微观分析

化学成分检测

在齿轮上取样，因表面渗碳，从样块心部采点，用直读光谱仪分两次进行化学成分检测，结果见表1。材料符合GB/T 3077-2015《合金结构钢》标准要求。

表1 齿轮的化学成分(%)

低倍组织检测

在接近齿轮断裂处取φ110mm×15mm 的低倍试样，用50%的盐酸热浸蚀后检验材料的低倍组织，目视未见缩孔、气泡、夹杂、裂纹、翻皮、白点、晶间裂纹等缺陷，酸浸低倍组织级别检测结果见表2，结果显示齿轮材料符合要求。

表2 齿轮的低倍组织

非金属夹杂物

按GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》的ISO 评级图评定样块非金属夹杂物，检测情况见表3，符合材料采购标准。

表3 齿轮材料非金属夹杂物

注：A 细+B 细+C 细+D 细≤4.5，A 粗+B 粗+C 粗+D 粗≤4.5

金相组织

在垂直于齿轮齿面和齿轮内孔磨削处进行取样分析，取样位置如图7 所示，样块标示1#试样、2#试样。试样经加工后，采用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳层轮廓如图8、图9 所示，通过观察分析，齿轮齿部与内孔处渗碳层轮廓连续且均匀，采用金相法对渗碳层深进行检测，齿部层深为1.5mm、内孔层深为1.2mm，符合渗碳层大于等于0.35mm要求。

图7 取样位置示意图

图8 1#试样渗碳层轮廓

图9 2#试样渗碳层轮廓

将1#、2#试样置于蔡司Axio Lab A1 金相显微镜进行观察，表面金相组织为针状马氏体组织(图10)，按GB/T 25744-2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》标准评定4 级，合格。齿轮心部组织为回火索氏体(图11)，因其回火温度低仍保留马氏体位向结构，晶粒度7 级，符合要求。

图10 1#试样表面金相组织

图11 1#试样心部金相组织

2#试样表面金相组织为针状马氏体组织(图12)，按GB/T 25744-2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》标准评定5 级，合格。心部组织为回火索氏体(图13)，晶粒度8 级。

图12 2#试样表面金相组织

图13 2#试样心部金相组织

在金相观察过程中，发现2#试样表面有明显表面硬化和次层回火现象(图14)，表面硬化层为针状马氏体组织，次层回火层为回火索氏体+贝氏体组织，基体为马氏体组织。

图14 2#试样渗碳层检测

硬度检测

图15 内孔表面磨损金相组织

对齿轮齿部硬度用显微维氏硬度计进行检测(图16)，硬度值为59 ～59.2HRC，符合图纸要求的58 ～62HRC。心部硬度为34 ～34.5HRC，经渗碳淬火后心部形成低碳马氏体后通过低温回火获得。渗碳淬火使表面获得高硬度，而心部获得低硬度，有效提高表面耐磨性，而心部得到良好的韧性。该硬度区别于预先热处理正火所获得的正火硬度156 ～207HB。

图16 齿部表面硬度

分析与讨论

从断口宏观分析，整个断口裂纹萌生区和扩展区域面积较小，断口无宏观塑性变形，无疲劳特征，最终瞬断区约占断口80%，说明断裂时承受应力或外力过大，此区域表面较粗糙，呈灰色，断口形态呈放射状，属于脆性断裂。用扫描电子显微镜进行微观分析，符合过载导致的脆性断裂特征。

从化学成分、低倍组织、非金属夹杂物分析，原材料符合齿轮材料要求。

金相分析和硬度检测显示，零件渗碳淬火表面金相组织、心部组织，表面硬度均符合要求；淬硬层区域经腐蚀后显示各部位淬硬层深满足要求，并且淬硬层连续，齿根处无断续问题，说明渗碳淬火工艺良好，满足其技术要求。

从金相分析中显示内孔表面出现明显表面硬化和次层回火现象，说明该齿轮在与传动轴连接时因装配不当存在相对移动，导致齿轮在运行过程中因摩擦过热，使表面出现表面硬化和二次回火现象。

结束语

结合以上断口分析及微观分析结果可知，导致减速机齿轮断裂的原因为齿轮在装配过程中，齿轮与传动轴装配不当，出现相对移动，使齿轮在承受载荷时不能平稳的传递扭矩，导致该齿轮在出现过载时，超出材料所承受的疲劳极限而出现断裂。

鉴于以上原因，齿轮在与传动轴装配过程中，要严格检测齿轮的转动情况，如有异常及时排除。同时在选择齿轮时，要充分考虑其承载力极限与减速机功率相匹配，保证在合理的载荷下运行。

——文章选自：《锻造与冲压》2022年第7期