分享：20CrMnTi钢齿轮轴断齿原因

摘 要:采用化学成分分析、断口分析、金相检验、硬度测试等方法对某起重机用齿轮轴断齿原 因进行分析。结果表明:该齿轮轴渗碳层存在脱碳现象,以及心部组织强度偏低是导致齿轮轴断 裂的主要原因;金相检验方法在测量渗碳层厚度方面存在局限性。 

关键词:齿轮轴;渗碳层;脱碳;断齿;厚度测量 

中图分类号:TG115.5                          文献标志码:B                                     文章编号:1001-4012(2023)04-0012-03 

某起重机用齿轮轴在使用约10个月后发生了断 齿,导致设备损坏,造成了比较严重的安全事故。该 齿轮轴图纸中的技术要求为:材料为20CrMnTi钢; 花键部分(防渗)淬火硬度为40~48HRC;渗碳层厚 度为0.8~1.2mm;齿面硬度为58~62HRC,心部硬 度为30~45HRC。笔者采用一系列理化检验方法对 该齿轮轴断齿原因进行了分析。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

断齿后的齿轮轴宏观形貌如图1所示,由图1 可知,整个齿轮轴齿面共有6个齿发生断裂,中间 4个齿相邻,除1个齿保留上半部分齿形外,其他 断裂齿均为整个齿断裂掉落。齿轮轴的起裂处宏 观形貌如图2所示,由图2可知,断裂齿均是从左 向右断裂,与齿轮的转动受力方向一致,断裂起始于齿根部分。从断裂形貌上看,裂纹源有向外发 射性的条纹[1],断口上的白亮条纹是断裂后挤压 磨损的痕迹。

1.2 断口分析 

采用扫描电镜(SEM)对断口进行分析,断口裂纹 源处的SEM形貌如图3所示,由图3可知:裂纹源附 近SEM形貌较平滑,这是因为断口有大量被挤压的 痕迹,尤其在裂纹源附近,但从裂纹源凹陷处可以看 出有明显沿晶断裂的特征,在断口中间的扩展区为解 理断裂,无疲劳辉纹等痕迹,属于脆性断裂(见图4)。

1.3 化学成分分析

依据标准GB/T3077—2015《合金结构钢》,采 用真空直读光谱仪对齿轮轴材料进行化学成分分 析,结果符合标准要求(见表1)。

1.4 硬度测试 在断齿处截取试样,并对其进行硬度测试。从 齿顶测得齿面硬度为52~54HRC,从齿轮齿面中 心线 与 齿 根 圆 相 交 处 测 得 心 部 硬 度 为 27~ 32HRC,均比技术要求的硬度低。

1.5 金相检验 

通过金相检验测得断口处渗碳层厚度约为 1.02mm(见 图 5),满 足 技 术 要 求。按 照 GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》对渗碳 层进行评级,可得渗碳层马氏体级别为4级,残余奥 氏体级别为4级,经过腐蚀后试样碳化物级别为 3级。按照JB/T6141.3—1992《重载齿轮 渗碳金 相检验》判断(马氏体、残余奥氏体、心部组织不大于 4级,碳化物不大于3级),渗碳层组织满足要求。 心部组织评级主要依据的是低碳马氏体与块状铁素 体的形态与分布,允许有贝氏体,观测位置为齿宽中 心线与齿根圆相交处,发现心部组织主要为粒状贝 氏体+少量索氏体+块状铁素体(见图6),未观测 到低碳马氏体,无法评级。同时,在齿根断裂处发现 渗碳层有脱碳痕迹,有大量块状铁素体+珠光体(见 图7)。由多个断齿的金相检验结果可知,部分断齿 同样存在脱碳现象。 

1.6 渗碳层厚度测量(显微硬度法) 

采用显微硬度法对渗碳层厚度进行测量,其心 部硬度为550HV 处到表面的距离为渗碳层的厚 度。经过 测 量 非 脱 碳 区 域 发 现,渗 碳 层 厚 度 为 0.56mm(见图8),不满足技术要求,比金相检验测得的渗碳层厚度低近50%,这说明金相检验法测量 渗碳层厚度存在局限性。对图7中的脱碳层进行硬 度测试,发现硬度较低,并且相邻区域的硬度同样低 于550HV(见图9)。

2 综合分析 齿轮轴断裂的主要原因为:① 齿轮轴材料的有 效渗碳层厚度不足,而齿根区域渗碳层出现脱碳层, 这会极大降低表面强度,齿轮轴是强受力部件,齿根又属于 应 力 集 中 部 位,齿 轮 强 度 由 齿 根 强 度 决 定[2-3],因此齿根强度不足容易使其开裂;② 马氏体 有着较高的强度和抗压性能,但在齿轮心部未发现 马氏体,硬度不满足技术要求,而且该位置与齿根平 行,当齿根发生开裂时,心部无法支撑齿轮,导致其 最终断裂。 

3 结论与建议 

(1)齿轮轴齿根附近出现脱碳层和心部组织强 度编低是齿轮轴断齿的主要原因。 

(2)应采用显微硬度法测量渗碳层厚度,因为 当热处理工艺控制不当时,实际有效渗碳层厚度与 金相检验结果不一致。 

(3)渗碳层出现脱碳通常与设备故障有关,如 出现漏气或漏水现象等;齿轮心部的显微组织主 要为贝氏体,有效渗碳层厚度偏低说明冷却速率 不符合要求。建议厂家严格控制热处理工艺参 数,保证产品质量。

参考文献: 

[1] 钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社, 2006. 

[2] 郭志德,郡尔玉,庞均.机械产品失效分析从书[M]. 北京:机械工业出版社,1992. 

[3] 朱智阳,董庆庆.减速箱齿轮轴断齿失效分析[J].理 化检验(物理分册),2011,47(3):175-177.

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 4期 (pp:12-14)>