朱 正

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院徐州分院，江蘇 徐州 221007)

某減速機(jī)齒輪崩齒失效分析

朱 正

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院徐州分院，江蘇 徐州 221007)

某德國(guó)進(jìn)口減速機(jī)齒輪使用時(shí)發(fā)生崩齒失效，本文利用宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織、非金屬夾雜、硬度及有效硬化層檢測(cè)手段，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該齒輪鋼成分接近聯(lián)邦德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(DIN)20MnCr5及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)20CrMnTi，表層組織為高碳馬氏體+少量殘余奧氏體，心部組織為低碳馬氏體；齒輪試樣中存在氧化物、夾雜及孔洞；斷口屬于過(guò)載折斷，主要是由于輪齒的應(yīng)力超過(guò)其極限應(yīng)力所導(dǎo)致。

齒輪；失效分析；斷裂

某德國(guó)進(jìn)口減速機(jī)齒輪使用過(guò)程中發(fā)生崩齒失效(如圖1所示)，廠家未提供任何材質(zhì)、熱處理工藝、技術(shù)指標(biāo)等參數(shù)。該齒輪為直齒圓柱齒輪，齒數(shù)為25，經(jīng)齒輪測(cè)量?jī)x測(cè)定，節(jié)圓齒寬47.5mm，齒頂圓齒寬43mm，全齒高18.4mm，基圓齒距25.1mm，基圓直徑199.6mm，齒輪坯寬度52.8mm，齒頂圓直徑236.9mm，齒根圓直徑200.2mm，公法線長(zhǎng)度68.3mm。

圖1 斷齒形貌

為查明齒輪崩齒斷裂原因，現(xiàn)對(duì)其宏觀形貌、化學(xué)成分、金相組織、非金屬夾雜、硬度及有效硬化層深度進(jìn)行了分析測(cè)試。

1 化學(xué)成分測(cè)試

根據(jù)聯(lián)邦德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(DIN)常用齒輪材料化學(xué)成分表，對(duì)C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo元素含量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 齒輪化學(xué)成分及聯(lián)邦德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(DIN)、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)對(duì)照表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

化學(xué)成分結(jié)果顯示，該齒輪鋼成分接近聯(lián)邦德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(DIN)20MnCr5及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)20CrMnTi。

2 宏觀形貌分析

齒輪整體形貌如圖1所示，在A、B兩處發(fā)生崩齒，斷裂部位均在齒根，A處崩齒面長(zhǎng)45mm，約為4/5齒寬，B處崩齒面長(zhǎng)26mm，約為1/2齒寬。整個(gè)齒輪表面及崩齒部位銹蝕嚴(yán)重。

對(duì)A、B兩處崩齒部位進(jìn)行線切割取樣，經(jīng)超聲波清洗后，斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖2 斷口宏觀形貌

A斷口表面有較多腐蝕產(chǎn)物，斷口比較平齊，無(wú)明顯宏觀塑性變形，為脆性斷裂，裂紋源位于齒根部；B斷口表面也存在大量銹蝕，齒表面有擠壓痕跡，為脆性斷裂，裂紋源位于齒面分度圓附近，該處具有明顯的擠壓變形。初步判斷，A、B兩斷口均為過(guò)載折斷，主要是由于輪齒的應(yīng)力超過(guò)其極限應(yīng)力所導(dǎo)致，可能原因包括：短時(shí)意外的嚴(yán)重過(guò)載；載荷的嚴(yán)重集中(偏載)；動(dòng)載荷過(guò)大；較大硬質(zhì)異物進(jìn)入嚙合處(如卡住)、軸畸變以及傳動(dòng)失效等意外事故。

3 金相組織分析

齒輪心部、過(guò)渡層及滲層金相組織分別如圖3、圖4、圖5所示。結(jié)果顯示：心部、過(guò)渡層組織為低碳馬氏體；滲層組織為高碳馬氏體+少量殘余奧氏體，馬氏體等級(jí)為3級(jí)和殘余奧氏體含量﹤10%，滿足GB/T 8539-2000標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)心部及滲層存在少量氧化物夾雜及孔洞。

圖3 心部金相組織 500×

圖4 過(guò)渡層金相組織 500×

圖5 滲層金相組織 500×

4 非金屬夾雜物檢查

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定》，試樣不經(jīng)腐蝕，從邊緣至中心全面檢驗(yàn)。非金屬夾雜物檢查結(jié)果如圖6所示。經(jīng)檢測(cè)，視野所及范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多氧化物、夾雜物、孔洞，可能是化學(xué)熱處理過(guò)程中合金元素被氧化造成的。

圖6 非金屬夾雜物檢查結(jié)果 100×

5 硬度測(cè)試

齒輪硬度測(cè)試按圖7所示位置進(jìn)行，結(jié)果表2所示。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果

圖7 硬度測(cè)試位置示意圖

根據(jù)GB/T 8539-2000《齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定》：對(duì)于表面硬化鋼，工件表面硬度在58-64HRC，齒根部位可以略低于齒面，心部硬度25HRC以上。據(jù)此，該齒輪硬度基本合格。

6 有效硬化層深度測(cè)試

根據(jù)圖7，分別對(duì)1、2＇、2＂三個(gè)位置進(jìn)行有效硬化層深度測(cè)試，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2639及國(guó)標(biāo)GB/T 9450進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如下表3所示，結(jié)果表明：1、2＇、2＂三個(gè)位置的有效硬化層深度均在1400μm左右。

表3 有效硬化層深度

表3(續(xù))

7 結(jié)論

(1)經(jīng)檢測(cè)分析，該齒輪鋼成分接近聯(lián)邦德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(DIN)20MnCr5及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB)20CrMnTi，表層組織為高碳馬氏體+少量殘余奧氏體，馬氏體等級(jí)為3級(jí)，殘余奧氏體含量﹤10%，滿足GB/T 8539-2000；心部組織為低碳馬氏體；表面硬度、心部硬度、齒根硬度基本滿足GB/T 8539-2000標(biāo)準(zhǔn)；齒頂及齒面有效硬化層深度均為1400μm左右；

(2)齒輪試樣中存在氧化物、夾雜及孔洞，可能是化學(xué)熱處理過(guò)程中合金元素被氧化以及存在鍛造缺陷造成的；

(3)A、B兩斷口均為過(guò)載折斷，主要是由于輪齒的應(yīng)力超過(guò)其極限應(yīng)力所導(dǎo)致，可能原因包括：短時(shí)意外的嚴(yán)重過(guò)載；載荷的嚴(yán)重集中(偏載)；動(dòng)載荷過(guò)大；較大硬質(zhì)異物進(jìn)入嚙合處(如卡住)、軸畸變以及傳動(dòng)失效等意外事故。另外齒輪材質(zhì)有缺陷、齒面加工粗糙或精度過(guò)差也可以引起過(guò)載折斷。

[1] 歐雪梅,江 利.工程材料[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2011.

[2] 孫 智,江 利,應(yīng)展鵬.失效分析-基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

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[4] 楊小壘,鄧德偉,葛言柳,等.壓縮機(jī)變速箱齒輪斷齒失效分析[J].金屬熱處理,2011,36:317-320.

(本文文獻(xiàn)格式：朱 正.某減速機(jī)齒輪崩齒失效分析[J].山東化工，2016，45(08)：75-78.)

Failure Analysis of A Reducer's Broken Gear

Zhu Zheng

(Jiangsu Institute of Special Supervision and Inspection,Xuzhou i 221007,China)

In order to find reasons why the gear on a German reducer chipped when using, macroscopic morphology, chemical composition, microstructure, non-metallic inclusions, hardness and effective hardened layer were analyzed in this paper. The results show that the composition of this gear steel is close to Germany National Standards (DIN) 20MnCr5 and China National Standard (GB) 20CrMnTi. It turns out that the surface organizations are carbon martensite as well as a small amount of residual austenite, and the center organization is a low-carbon martensite. There are oxide, inclusions and voids in gear samples and the fracture surface is overloaded, which mainly due to the stress exceeding the limit stress.

gear；failure analysis；fracture

2016-03-12

朱 正(1982—)，工程師，長(zhǎng)期從事特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

TH32.41

B

1008-021X(2016)08-0075-04