20CrMnTi齒輪斷裂原因分析
減速箱齒輪在某一次運(yùn)行時(shí)聲音異常，于是停機(jī)開箱進(jìn)行檢査，發(fā)現(xiàn)個(gè)別輪齒已被打斷。齒輪材料為20CrMnTi,模數(shù)為5，齒寬80mm，52齒，由過盈配合與齒軸聯(lián)接，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速約1250r/min。齒輪經(jīng)過鍛造—粗加工—滾齒—滲碳淬火—精加工—磨齒面的工藝過程，使用至今未滿半年。為了找出齒輪斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。
斷口形貌分析
損壞齒輪有四處斷口。為了便于說明，對(duì)四處斷口分別做了編號(hào)。1號(hào)齒整個(gè)齒斷裂，2號(hào)齒斷面約占20%3號(hào)與4號(hào)齒斷面分別占60%和 70%,其中1號(hào)齒呈現(xiàn)出較為明顯的疲勞斷裂特征，為早期疲勞斷裂，裂紋產(chǎn)生于齒根處，向中心擴(kuò)展，斷口往下凹陷，在齒寬中部較為光滑，為疲勞擴(kuò)展區(qū)域。其上分布有典型的貝紋線，在弧線發(fā)展的反方向即可找到
疲勞源區(qū)，在疲勞源處有多條放射狀臺(tái)階條紋，屬于多源疲勞，說明裂源處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。從各齒牙斷口特征可以看出，1號(hào)齒疲勞擴(kuò)展區(qū)所占比例較大，斷面光滑，貝紋線間隔較窄，瞬斷區(qū)所占比例較小，而其他3齒斷口均十分粗糙，呈放射性，未見明顯疲勞擴(kuò)展特征。由此可以推斷，首先是1號(hào)齒發(fā)生了疲勞斷裂，造成了齒輪副的不正常嚙合，傳動(dòng)失去平穩(wěn)狀態(tài)，震動(dòng)加劇，產(chǎn)生很大的附加載荷，隨后2、 3、4號(hào)齒相繼斷裂。檢驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，多個(gè)未折斷齒的根部也產(chǎn)生了長(zhǎng)短不一的裂紋，裂紋均沿齒寬方向擴(kuò)展，并且齒根附近存在明顯的加工刀痕，表面粗 糙度約12. 5pm。用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析，疲勞區(qū)有明顯的疲勞輝紋特征,瞬斷區(qū)斷口形貌為解理+小部分韌窩。
從上述測(cè)定的結(jié)果看，齒輪材料的化學(xué)成分、滲碳層深度和硬度均符合要求。齒輪具有疲勞斷裂的基本特征，屬于疲勞斷裂。造成齒輪早期失效有以下幾方面內(nèi)在原因：
齒根附近的加工刀痕，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且缺陷或溝槽、臺(tái)階等形狀越尖銳，材料強(qiáng)度越高，脆性越大，則應(yīng)力集中系數(shù)越大。因此，滲碳層對(duì)刀痕這類缺口較敏感，故疲勞裂紋易在滲碳層表面凹陷的刀痕處萌生。
齒根附近嚴(yán)重的非金屬夾雜破壞了金屬基體的連續(xù)性，降低了材料的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)金屬材料內(nèi)部存在較多的非金屬夾雜物時(shí)，尤其是氧化物、硅酸鹽與氮結(jié)果分析
從上述測(cè)定的結(jié)果看，齒輪材料的化學(xué)成分、滲碳 層深度和硬度均符合要求。齒輪具有疲勞斷裂的基本特征，屬于疲勞斷裂。造成齒輪早期失效有以下幾方面內(nèi)在原因：
齒根附近的加工刀痕，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且缺陷或溝槽、臺(tái)階等形狀越尖銳，材料強(qiáng)度越高，脆性越大，則應(yīng)力集中系數(shù)越大。因此，滲碳層對(duì)刀痕這類缺口較敏感，故疲勞裂紋易在滲碳層表面凹陷的刀痕處萌生。
齒根附近嚴(yán)重的非金屬夾雜破壞了金屬基體的連續(xù)性，降低了材料的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)金屬材料內(nèi)部存在較多的非金屬夾雜物時(shí)，尤其是氧化物、硅酸鹽與氮化物等，盡管滲碳淬火齒輪的屈服強(qiáng)度很高，不易發(fā)生塑性變形，但在交變彎曲應(yīng)力作用下，在夾雜物與 基體的相界處，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)的塞積，從而出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力分布，并在夾雜物尖端形成應(yīng)力集中。齒輪疲勞斷裂通常是從最薄弱的齒根部位開始，因?yàn)榇颂幊惺艿慕蛔儚澢鷳?yīng)力最大。由于氧化夾雜物相硬而脆，影響金屬的強(qiáng)度，并且其彈性模量與基體不同， 裂紋擴(kuò)展較之其他部位所需能量小，因此加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展。
滲碳層表面存在過量的殘余奧氏體時(shí)，由于材料的塑變抗力顯著降低，以及粗大奧氏體晶粒本身對(duì)接觸性能的不利影響，淬火后伴隨著粗大的馬氏體而容易產(chǎn)生微裂紋，這些因素的影響使齒輪疲勞壽命不斷降低。
鋼中存在偏析帶造成了顯微組織和化學(xué)成分的不均勻。在熱處理過程中,組織應(yīng)力和熱應(yīng)力在這些成分不均勻的偏析微區(qū)將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，相變過程產(chǎn)生差異，它們的各項(xiàng)性能也不同，在外力作用下，性能低的帶易暴露出來，強(qiáng)弱帶之間會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且明顯的各向異性導(dǎo)致材料的橫向斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于縱向斷裂強(qiáng)度，使得齒輪的總體力學(xué)性能大大減低。
以上各種誘發(fā)因素的疊加使齒根的疲勞強(qiáng)度不斷降低，所承受的應(yīng)力很快達(dá)到臨界破斷應(yīng)力值，裂紋首先在這里萌生并擴(kuò)展斷裂。
齒輪在交變彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂，齒根表面留下的加工刀痕，以及材料內(nèi)部的非金屬夾雜、大量的殘留奧氏體和嚴(yán)重的偏析，增大了應(yīng)力集中程度，降低了材料的強(qiáng)度，是造成齒輪早期疲勞失效的主要原因。
建議機(jī)加工時(shí)注意齒面與齒槽之間的過渡，提高加工精度，避免留下刀痕；嚴(yán)格控制鍛造工藝，增大毛坯的鍛造比，改善夾雜物的分布狀態(tài)，在晶粒度不超出合格范圍的前提下，適當(dāng)提高正火溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，以消除帶狀組織；滲碳淬火溫度不宜過高，在淬火后應(yīng)及時(shí)回火，避免奧氏體熱穩(wěn)定化，在低溫回火后應(yīng)快冷，如有必要可在淬火后進(jìn)行深冷處理。
