周吉生

（河南科技職業大學機電工程學院）

減速器是一種由封閉在剛性殼體內的齒輪(或蝸桿、齒輪-蝸桿)傳動所組成的獨立部件，一般在原動機和工作機之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程機械及石化等行業有極為廣泛的應用[1]。某減速機在裝配后試運行時發生異響，打開減速機殼體發現其錐齒輪小端部位出現了掉塊，其二維平面見圖1所示，減速器齒輪長302mm，模數11，大端模數10.68，速比3.545，在裝配后試車15min后發現齒輪出現碎裂，其服役環境是在有潤滑油的封閉箱體內，Z高轉速為1850r/min，輸出扭矩12000N·m，這種齒輪的早期失效會導致減速機不能正常服役，從而延長了交貨期限。生產單位決定對本批次總共27臺減速機齒輪的風險進行評估，對開裂的齒輪進行了失效分析以便于采取相應的針對性措施。

圖1　失效齒輪零件圖的二維平面圖

01　失效背景

齒輪機加工流程為:下料→鍛造→調質→粗車(各個表面至3.2μm)→半精車(各個表面)→滾齒→倒角→滲碳→車螺紋部位滲碳層→淬火+低溫回火→磨齒(內孔、端面)→清洗→強化噴丸→清洗→成品檢查入庫。其鍛造溫度為1200℃，調質工藝為880℃×2h油冷淬火+530℃×2.5h高溫回火，半精車∅43mm、∅57mm、∅65mm、∅70mm、∅174mm、∅34.5mm，滲碳淬火工藝為920℃×6h滲碳+830℃×2h油冷淬火+200℃×3h低溫回火，磨齒成形精度至0.8μm，噴丸覆蓋率120%。其斷口見圖2a所示，在齒輪小端(見橢圓區)出現了開裂，小端的尖角部位從體上出現了剝落，斷口近似呈三角形，長度24mm，寬度8mm，見圖2b所示，斷口的外周邊是滲碳淬火層。將斷口進行超聲波+丙酮清洗并在VHX-6000數碼顯微鏡下觀察，見圖2c所示，可看出斷口芯部有白色亮點(見橢圓區)，從白色亮點位置向四周擴散的紋路，說明此處就是所尋找的裂紋源，要對此處進行重點分析。圖2d是裂紋擴展區的裂紋形貌，從圖中可看出是解理斷裂，部分晶粒表面受到了磨損;圖2e是圖2b方框位置的斷裂形貌，此處是斷口的滲碳層位置，可看出該處的斷口是沿晶+撕裂棱，說明該處的硬度較高;但是圖2d和圖2e的形貌無異常，可知其成分也無異常。

圖2　失效齒輪零件圖

02　原因分析

2.1材料成分檢驗

齒輪的材料是20CrMnMo合金鋼[2],在靠近M36螺紋處和芯部分別取厚度為12mm試樣,依據GB/T4336－2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》,用CX-9600直讀光譜儀檢測化學成分，結果見表1;和GB/T3077－1999《合金結構鋼》中規定的元素相比，滲碳層區的含碳量較高，其余元素符合國家標準。

表1　齒輪的化學成分(質量分數)%

2.2顯微組織及硬度檢驗

減速機齒輪的表面要求滲碳，其有效硬化層深為1.8～2.1mm，表面硬度要求59～64HＲC，芯部硬度要求34～40HＲC。在圖2b中方框位置取垂直于齒部樣塊，然后打磨、拋光，再用3%硝酸酒精腐蝕，在VHX-6000數碼顯微鏡下觀察其表面和芯部的顯微組織見圖3a和圖3b。據GB/T13298－1991《金屬金相組織檢驗方法》和GB/T25744－2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》，表面顯微組織為M針+A殘可評為2級，芯部為M低碳+F游可評為3級，均符合技術要求。據GB/T9450－2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》,用DHV-1000顯微維氏硬度計對齒部測量，表面硬度為62HＲC(維氏換算洛氏，下同)，芯部硬度為38HＲC，符合技術要求，有效硬化層深為2.5mm，超過技術要求。

圖3　齒輪的顯微組織

2.3斷口微觀形貌及能譜分析

利用ZEISS-EVO25掃描電鏡觀察圖2c中斷口裂紋源處微觀形貌，見圖4a，可看出裂紋從此處向外發散，對方框區的夾雜物進行能譜分析，見圖4b所示，能譜顯示O、Al、Ca、Mg等元素具有較高的衍射峰。圖4d、圖4e、圖4f分別是對圖4a區域進行Ca、Al、Fe元素的面掃描。

圖4　斷口的微觀掃描及能譜分析

可見:裂紋源位置的Ca、Al素較為明亮，表明該元素在裂紋源位置含量較高，而Fe元素面掃描上出現孔洞，說明裂紋源區Fe含量較少，由此可知裂紋源處是O、Al、Ca、Mg組成的非金屬夾雜物。這會破壞基體組織的連續性，形成應力集中，惡化力學性能[3]。圖4a中的橢圓形區域是正常斷口(非裂紋源區)區，對其進行能譜分析，見圖4c，該區化學元素質量分數為:Fe91.4%、C3.9%、O1.8%、Cr1.2%、Mg0.7%，沒有Al、Na其他雜質元素，均是正常合金元素，說明該處材料正常。

03　分析與討論

對減速機齒輪進行檢測，其材料成分、金相組織、表面硬度符合技術要求，導致齒部出現開裂的主要因素為:

(1)淬硬層深超過技術要求，齒輪經滲碳以后，其齒部是含碳量較高的過共析鋼，芯部仍然是亞共析鋼，在油中進行淬火冷卻時，表層首先冷卻，芯部次之，當溫度冷卻到馬氏體轉變溫度Ms時，表層首先轉變成馬氏體，體積增加，表層材料有向外“膨脹”的趨勢，這會對芯部材料形成“拖拽”作用，導致芯部受到拉應力，此時表層材料受到向內的壓應力。芯部材料含碳量較低而有較高的馬氏體轉變終了溫度Mf，隨著冷卻的進行，當溫度低于芯部馬氏體轉變終了溫度Mf時，芯部組織停止轉變，表層材料含碳量較高，有較低的馬氏體轉變終了溫度Mf，在室溫下會繼續轉變，這會導致表層向外漲大的趨勢會一直進行，芯部受到的拉力會逐漸增加[4];齒部有效硬化層越深，這種應力效應越明顯，這是導致齒輪從芯部開裂的第1個原因。

(2)經掃描電鏡分析，裂紋源位于齒的內部，且有較多的O、Al、Ca、Na等元素組成的非金屬夾雜物[5],這些夾雜物硬度較高，比如Al2O3，其莫氏硬度為9，幾乎沒有塑性;這些硬度較高的非金屬夾雜物會破壞基體組織的一致性和連續性，在受到外力作用時，高硬度的夾雜物顆粒不產生變形，其顆粒尖角會對基體組織產生強烈的“切割”作用，這會在夾雜物周圍產生高度的應力集中形成裂紋源[6],再加上內部受到較大的拉應力，導致裂紋從內部擴展，這是開裂的第2個原因。

綜上可知，齒輪開裂原因首先是有效硬化層過深，其次是材料芯部有夾雜物。經過對熱處理工藝進行追溯，發現齒輪進行了混裝拼爐，導致滲碳時間過長，改進措施是不允許拼爐混裝。另外，發現供應商為了降低成本，把本該用特鋼的材料換成普鋼材料，導致夾雜物增多，造成早期失效，改進措施是指定特鋼公司，不允許隨意更換材料。經過采取上述措施，改進后齒輪的滲碳層組織為2級M針+A殘，硬化層深度為1.9mm，夾雜物評定為1.5級，均符合技術要求，徹底解決了齒輪的開裂問題。

04 結論

(1)齒輪的化學成分符合20CrMnMo鋼，硬度和顯微組織符合技術要求，但有效硬化層深2.5mm超過了技術要求(1.8～2.1mm)。經掃描電鏡分析，裂紋源位于斷口內部且有較多的O、Al、Ca、Mg等組成的非金屬夾雜物。

(2)首先，齒輪的硬化層深超過了技術要求，這會導致芯部受到較大的拉應力;其次，齒輪的基體中含有較多的O、Al、Ca、Mg等非金屬夾雜物，這些夾雜物割裂基體，容易產生應力集中，是導致開裂的第2個因素;2個因素的綜合作用，導致了齒部出現了早期開裂。

(3)有針對性地采取改進措施，首先不允許拼爐混裝，規范熱處理工藝;其次將原材料由普鋼改為特鋼，減少材料中夾雜物。通過上述改進，減速機齒輪再也沒有發生過早期開裂失效，徹底解決了問題。

本文來自：《材料保護》2019年11月15日