以起重機(jī)齒輪箱中的20CrMnTi滲碳齒輪為研究對(duì)象，從金相分析、化學(xué)成分分析、斷齒宏觀形貌分析、硬度測(cè)試、掃描電鏡分析等方面出發(fā)，對(duì)該尺寸的斷裂失效問(wèn)題進(jìn)行原因分析。最后，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析，可發(fā)現(xiàn)齒輪齒根部在淬透性不足下會(huì)使心部無(wú)法獲得馬氏體組織，相反在產(chǎn)生貝氏體組織后易在應(yīng)力過(guò)載下產(chǎn)生裂紋，且裂紋持續(xù)增大會(huì)使齒輪斷裂。


      對(duì)于20CrMnTi滲碳鋼的應(yīng)用而言，基于其淬透性較高的優(yōu)點(diǎn)，為確保材料具有堅(jiān)硬耐磨的表面和較高硬度的心部，可以進(jìn)行滲碳淬火處理，同時(shí)該材質(zhì)也有著較高的環(huán)境適應(yīng)能力，在低溫中有著較高的沖擊韌性。結(jié)合材質(zhì)特性，在進(jìn)行軸承軸、齒輪的制造生產(chǎn)中，多應(yīng)用該材料，可使零件適應(yīng)其所處的高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高摩擦等環(huán)境。以某齒輪制造企業(yè)的滲碳齒輪生產(chǎn)看，其材料為20CrMnTi滲碳鋼，參考客戶(hù)應(yīng)用一段時(shí)間后的反饋看，部分齒輪的斷裂問(wèn)題較為明顯，經(jīng)濟(jì)損失較大且干擾作業(yè)進(jìn)度。因此，有必要對(duì)斷齒進(jìn)行質(zhì)量缺陷分析，以期提高齒輪生產(chǎn)質(zhì)量。


      在案例齒輪制造中，具體為低速直齒圓柱齒輪，可應(yīng)用于起重機(jī)的齒輪箱中，為確保其齒輪強(qiáng)度和性能，該廠選擇20CrMnTi滲碳鋼材質(zhì)進(jìn)行制造。其制造工序有以下方面：第一，進(jìn)行原配鍛造和原材正火處理;第二，對(duì)鋼坯進(jìn)行粗車(chē)、半精車(chē)和精車(chē)操作;第三，結(jié)合尺寸需求進(jìn)行滾齒并做好毛刺處理;第四，進(jìn)一步剃齒，完成后開(kāi)展關(guān)鍵的滲碳淬火處理;第五，進(jìn)行回火，消除應(yīng)力。不過(guò)結(jié)合客戶(hù)反饋在出現(xiàn)較高齒輪斷裂故障下，需要進(jìn)行故障原因分析。


      應(yīng)用多方面檢測(cè)技術(shù)可以提高斷裂原因的研究可靠性，具體而言，化學(xué)成分的分析可以借助離子體質(zhì)譜儀，例如有C/S分析儀及電感耦合等;齒輪斷齒位置的宏觀形貌可以直接進(jìn)行拍照記錄;金相組織了解可借助Leica DM 1500光學(xué)金相顯微鏡;滲碳層硬度則借助HV-5型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)(載荷1kg);顯微組織及斷口的微觀部分，可以使用環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)，一般型號(hào)選擇FEI Quanta 250型。

      齒輪材料成分探究：對(duì)20CrMnTi滲碳齒輪進(jìn)行成分分析 ，其檢測(cè)結(jié)果可以參考表1。結(jié)合表1，Cr、Mn、Si、C等元素的含量皆符合GB/T3077—1997 《合金結(jié)構(gòu)鋼》 中，對(duì)20CrMnTi材料的指標(biāo)要求。因此，可判斷材料因素不是齒輪斷裂的關(guān)鍵。

      斷齒宏觀形貌分析：在輪齒齒根的彎曲應(yīng)力最大處為齒輪斷口，同時(shí)斷裂位置存在凹凸不平的特征。借助肉眼還能觀察到斷齒上面的放射性條紋。因此，可判斷斷齒受過(guò)載應(yīng)力影響，出現(xiàn)強(qiáng)制破斷。

      齒根部的金相觀察：對(duì)齒根部進(jìn)行金相觀察分析，通過(guò)檢測(cè)對(duì)應(yīng)的心部顯微組織和滲碳層碳化物參考圖1。滲碳層殘余碳化物級(jí)別為1級(jí)，需對(duì)心部進(jìn)行觀察;心部貝氏組織，且內(nèi)部夾雜著黑色物質(zhì)。綜上，在齒根心部應(yīng)該為回火馬氏體組織下，其金相組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，其組織未達(dá)到質(zhì)量要求。初步判斷齒輪斷裂跟金相組織相關(guān)。

      斷齒硬度測(cè)試討論：在完成齒輪材料性能和金相組織等方面檢測(cè)后，還需要直接對(duì)斷裂齒輪進(jìn)行根部硬度檢測(cè)。具體以正常齒輪齒為研究對(duì)象，以 GB/T 9450—2005 為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以根部轉(zhuǎn)角作為檢測(cè)位置，合理開(kāi)展維氏硬度檢測(cè)。經(jīng)過(guò)科學(xué)的操作和檢測(cè)，齒輪根部轉(zhuǎn)角位置的滲碳層深度(CHD550HV1)約為1.4mm，且齒面平均硬度(HV)為650。經(jīng)過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，滿(mǎn)足碳鋼滲碳的參數(shù)要求，能初步判斷滲碳層深度不影響齒輪斷裂。

      齒根微觀組織觀察：為了驗(yàn)證金相組織觀察的結(jié)果，還需針對(duì)齒根部進(jìn)行微觀方面的觀察。其齒根位置心部和滲碳層的掃描電鏡參考圖2，齒根部表層組織均為回火馬氏體，且馬氏體級(jí)別在4~5級(jí)之間，證明組織良好;過(guò)渡區(qū)逐漸出現(xiàn)了貝氏體，證明心部可能存在缺陷;心部皆為上貝氏體，且上貝氏體中的碳化物有著不規(guī)則及續(xù)片狀，于鐵素體條間存在。
      齒輪斷口分析：針對(duì)斷齒部位，分別切取斷口和斷口表面附近的縱剖面，對(duì)斷裂原因進(jìn)行進(jìn)一步分析。

      斷口的形貌：開(kāi)展齒根位置的斷口形貌分析。具體而言：微觀觀察滲碳層的齒輪斷口，其斷口為冰糖狀，為沿晶脆性斷裂;觀察心部的斷口形貌，一方面存在撕裂嶺，有穿晶準(zhǔn)解理斷口;另一方面存在明顯夾雜物，主要為硫化錳、氧化鐵的復(fù)合物。

      附近縱剖面：斷口縱剖面進(jìn)行掃描電鏡后，其表層有明顯的擠壓變形現(xiàn)象，可驗(yàn)證齒根斷裂的裂紋源位置。其次，裂紋源區(qū)的塑形變形區(qū)尺寸約為80～90μm，可分析在裂紋擴(kuò)展到80～90μm后，齒輪結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題，最終斷裂故障產(chǎn)生。


      首先，化學(xué)分析、硬度測(cè)試后，可得出齒輪成分符合材質(zhì)要求 、齒輪平面硬度和滲碳層深度良好等結(jié)果，可證明齒輪斷裂的因素可以排除制造材料成分和滲碳層深度。其次，對(duì)內(nèi)部組織進(jìn)行金相組織研究，在齒根心部錯(cuò)誤形成上貝氏體組織，而非正常生成回火馬氏體組織下，金相組織不符合要求，初步判斷為斷齒原因。同時(shí)開(kāi)展齒根微觀形貌觀察，其表層為回火馬氏體組織，且級(jí)別為4~5級(jí)，驗(yàn)證金相組織觀察。最后，對(duì)齒輪斷口進(jìn)行研究，內(nèi)部碳化物為斷續(xù)片狀，易提高滲碳層脆性，進(jìn)一步降低上貝氏體的韌性。因此，心部出現(xiàn)上貝氏體組織是斷齒的直接原因，而根本原因是齒輪的尺寸較大，制造工藝未改進(jìn)會(huì)影響其淬透性，無(wú)法保證正常生成回火馬氏體組織。


      積極開(kāi)展齒輪斷裂原因的分析，能為齒輪制造工藝的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。具體而言：齒輪斷裂位置為齒根部;齒輪斷裂外力為交變應(yīng)力作用;齒輪斷裂特征中，外力影響下會(huì)先產(chǎn)生裂紋，并在裂紋增加到80~90μm后齒輪結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，出現(xiàn)瞬間斷裂;齒輪斷裂原因，是受齒輪過(guò)大影響，20CrMnTi鋼的淬透性略有不足，使心部生成上貝氏體組織，無(wú)法正常生成馬氏體組織，其片狀碳化物易促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。在明確齒輪斷裂原因后，能優(yōu)化后續(xù)制造工藝，經(jīng)過(guò)齒輪熱處理等工藝的改進(jìn)，能提高齒輪的質(zhì)量并促進(jìn)企業(yè)發(fā)展。

      參考文獻(xiàn)略