典型大型齿轮失效分析

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某公 司生 产 的第 二 级齿 轮 (M20，Z84，材 质20CrNi2Mo)，锻造后进行正火处理 ，齿面经 920 oC渗碳-660 oC高回-820℃淬火-低回(200 oC、230℃各-次)-喷丸-精车-磨内孔-磨齿，要求有效硬化(HV500)层深1>4.0 mm，淬火硬度要求 HRC 54-58，该齿轮磨齿后在双联齿的左旋齿的部分齿面(相邻的 6个齿)发现有磨削裂纹。由于该零件热烘套输出轴后才进行磨齿的，发现仅 6个齿面靠近齿根处有磨削裂纹。当初第-时间拖回热处理分厂进行低温回火去除应力，接着采用指状砂轮打磨裂纹，发现裂纹深度近 1 mm。本着对用户负责的态度 ，该公司最后决定将该齿轮报废处理。为了查清楚该典型大型齿轮产生磨削裂纹的真正原因，现取样对该齿轮进行失效分析。

1 磨削裂纹的形态及产生原因分析裂纹的形态为垂直于磨削方向且靠近齿根处，裂纹高度约为 2-5 mm，如图 1所示。

图1 裂纹出现的位置及形态裂纹的数量分布情况(图 2)，仅有 6个左旋齿出现裂纹，有裂纹的左旋齿(从左向右)每个齿上的裂纹数量依次为2-1-4-6-8-5，而右旋齿的所有齿都没有出现磨削裂纹。

此种裂纹属于典型的磨削拉应力裂纹 ，产生该种拉应力裂纹除了跟磨削深度、进给量、磨削冷却液、砂轮和工作台转速、砂轮目数、砂轮的硬度、砂轮的修整等齿面磨削直作者简介：陈永道(1963-)，男，江苏扬中人，高级工程师，硕士，研究方向为机械设备制造与管理。

· 72· htp：/ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.cn《机械制造与自动化》· 机械制造 · 陈永道 ·典型大型齿轮失效分析2.4 对试样 A1。B1进行渗碳层组织的检测2.5 对齿形试样 A1，B1的硬度梯度检测图 15为 A1，B1齿根试样的硬度梯度比较。

70060050O400300200lO0- .Al齿根- -R 再0 0. 0. 0. 0. 1. 1. 1. 1. 2. 2. 2. 3. 3. 3。

20 40 60 80 00 30 60m go 20 50 80 10 40 70图 15 A1。B1齿根试样的硬度梯度比较3)通过图 16可以看出没有出现磨削裂纹和出现磨削裂纹区域的齿根层深基本-致 ，约为 3.2 mm/HV500，且齿根硬度大致相同，也表明淬火-低 回后的强化喷丸效果也是大致相同的，即排除了喷丸效果异同的影响。

b)渗碳层金相组织分析1)从取样 A1，B1磨削后的齿面和未经磨削的齿顶的金相组织来看，渗碳淬火后表面的 Ar很少，基本上在 1级左右；M也很少 ，基本上在 1～2级。

2)从发现裂纹的打磨凹坑处 (靠近齿根，磨削量很少 )的金相照片来看，磨削前的 M在 2～3级，这说明淬火温度的设定还可以再略低-些，可以将淬火温度 由820 oC降至 800 oC。

3)从工作面和非工作面上K的等级差异，并接合齿顶部位 K的等级来看，磨削前齿面 的 K基本上 在 2～3级 。

图 16为 A1，B1齿形试样工作面及非工作面硬度梯度比较。 3 结语图 16 A1。B1齿形试样工作面及非工作面硬度梯度比较2.6 渗碳层金相组织和硬度梯度数据分析a)硬度梯度数据分析总体看来，磨削后的该零件工作面和非工作面的硬度梯度均比较平缓，磨削后的齿面硬度均在 HRC57-58。硬度虽然符合图样技术要求，但是为了给后续的磨削创造更佳的条件，可以在渗碳淬火工艺过程中，适当降低零件的齿面硬度[1]至 HRC54-56。通过此 A1，B1齿形试样工作面及非工作面硬度梯度比较和Al，Bl齿根试样的硬度梯度比较可以看出：1)根据图 15可以看出经磨削后 A1齿形试样所在的没有出现磨削裂纹区域的工作面和非工作面的硬化层深均约在 4.3 mm/HV500。据此可以得 出在 A1试样所处的零件的上端面的涨大量比较均匀 ，没有出现偏向齿的-侧的不规则变形。

2)根据图 l5可以看出经磨削后 B1齿形试样所在的出现磨削裂纹区域的工作面和非工作面的硬化层深分别为 ：4.1 mm/HV500、4.5 mm/HV500。据此可 以得 出在 B1试样所处的发现磨削裂纹的零件的下端面的局部 区域出现较大的偏向工作面-侧的不规则变形。在磨削过程中若不能找到此畸变高点，就会造成局部磨削热过高而产生磨削裂纹 。

Machine Building Automation，Jun 2013，42(4)：72-万1)渗碳层硬度梯度分布平缓，磨齿后齿面的硬度和渗碳层深度满足设计要求。

2)渗碳层组织合格，有磨削裂纹和没有磨削裂纹处齿面的表层组织基本没有差别。

3)零件经渗碳淬火后，其上下两端面尤其是发现磨削裂纹的左旋齿局部区域可能出现了不规则变形，此不规则变形可能与锻后的正火不充分或者不均匀有关。磨齿工在进行齿面磨削时，没有找到此畸变高点，从而导致在此畸变高点附近的磨削切削量太大 ，且砂轮在靠近齿根处的线速度最大，切削热得不到及时有效的散去 ，致使齿根处产生拉应力 ，出现磨削裂纹。为了更加有效的对该齿轮进行预处理以及给该齿轮渗碳层提供更多的残余压应力 J，建议将渗碳前的预处理由正火处理改成调质处理。

4)渗碳淬火后的M虽然饮合热处理标准，接合实际齿面硬度为 HRC57-58(在技术要求的上限)，可以将淬火温度由820 oC降至 800℃ 3 J，从而将零件的齿面硬度降至技术要求的中限，给后续的磨削创造更佳 的条件。