齿轮断齿失效分析

齿轮断齿失效分析

摘要：通过对断裂齿轮宏观分析及内在质量的综合分析，发现该处理热处理工艺不合理导致齿轮根部存在残余拉应力及块状铁素体、同时齿轮根部加工不良是导致齿轮断齿的主要原因，针对齿轮失效原因，提出改进措施，有效避免了齿轮断齿现象的再发生。

关键词：齿轮；失效分析

Failure analysis of gear

Yan Fanmei，Wang Minghui

(Beinei Group Corporation，Beijing 100076)

Abstract：The fracture morphologies and the microstructure of the gear were examined. It can be concluded that main reason to result in the fracture of the gear is that the remains tensile stress and ferrite in the foot of gear resulting from unreasonable heat treatment, and the roughness surface of the gear.

Keywords：gear；failure analysis

       某企业生产的齿轮在用户使用过程中经常发生齿部断裂，要求分析断裂原。

       该齿轮采用40Cr 材料锻造，经正火处理后齿部进行高频淬火处理，对高频淬火处理的硬化层深度、硬度、金相组织均无具体技术要求。

1.       宏观及内在质量分析

1.1.       宏观分析

       失效齿轮有5个齿断裂，如图1所示，断口为疲劳断口，疲劳源位于齿根，宏观观察疲劳源处表面粗糙，在疲劳源的延长线上有一台阶，经扫描电镜进一步观察，疲劳源处的齿根表面存在较深的加工刀痕，如图2所示。

图 1  断齿齿轮宏观形貌

Fig. 1  Macroscopic morphology of the fracture gear

图 2  齿与齿根过渡区表面形态

Fig. 2  The roughness surface of gear

       对该齿轮进行磁粉探伤检查，发现剩余的齿中有三个齿的齿根部有缺陷磁痕显示，缺陷方向与齿轮轴线平行，其中两个缺陷长度约为5mm，另一个缺陷的轴向长度为15mm，如图3所示，齿轮端面上显示缺陷深度2～5mm不等。抽查10只未装机使用的齿轮探伤，齿轮根部无缺陷磁痕显示。

图 3  探伤检查到的齿根裂纹

Fig. 3  The crack detected by NDT

1.2.       内在质量分析

       垂直于齿廓表面解剖探伤显示有缺陷的齿(缺陷长度为15mm)，发现齿与齿根的过渡处不圆滑，有一尖角，如图4 所示，放大观察，尖角处有一裂纹，如图5 所示，裂纹两侧组织未发生变化。该齿轮齿部淬火区金相组织为回火马氏体，用硬度法测量齿部自齿顶的有效硬化层深度为4.4mm，距离齿顶0.1mm处显微硬度(HV0.5)为571，552，564；齿根部的金相组织为珠光体+少量块状铁素体，距齿根表面0.10mm处的显微硬度(HV0.5)为244，240，232，即齿根未淬硬；心部组织为珠光体+网状铁素体，如图6 所示，心部硬度为207HBS。将该样品沿缺陷打开，经扫描电镜进一步观察分析表明缺陷内部表面具有疲劳断裂特征，疲劳源位于齿与齿根的过渡尖角处，与已经断掉的齿根断口特征相同。

图 4  齿与齿根的过渡区尖角

Fig. 4  The closed angle of the geat

图 5  过渡区尖角处的裂纹

Fig. 5  The crack in the closed angle of gear

图 6  齿轮心部组织  200×

Fig. 6  The microstructure of the gear center

        该齿轮的化学成分分析结果如表1 所示，符合40Cr 材料要求。

表 1  齿轮化学成分分析（质量分数，％）

Tab. 1  Composition of gear(wt，%)