摘 要： 斜齒圓柱齒輪傳動由于具有嚙合性能好、傳動平穩(wěn),、噪聲較小,、齒輪承載能力強等特點，廣泛應(yīng)用于大型成套工業(yè)設(shè)備中,。討論了某掘進機減速箱中的斜齒輪,，掘進機在工作過程中減速箱里斜齒輪上有些齒已經(jīng)斷裂,，對斷裂的齒輪齒根部的裂紋進行了化學(xué)成分、力學(xué)性能分析,，并進行了維硬度檢測,、微觀檢測。通過對檢測結(jié)果進行分析,，找出了產(chǎn)生缺陷的微觀機制和影響因素,。
關(guān)鍵詞： 斜齒輪；滲碳淬火,；有效硬化層硬度,；深度；高應(yīng)力低周疲勞斷裂
0 引言
齒輪是大型成套工業(yè)設(shè)備中重要的基礎(chǔ)部件之一,。斜齒傳動具有嚙合性能好,、傳動過程平穩(wěn)、噪聲較小,、重合度比較大,、輪齒之間的載荷相對較低等優(yōu)點，從而提高了齒輪的承受壓力的能力,，使斜齒輪傳動在生活及生產(chǎn)領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用[1-2],。本文討論一種斜齒輪，它是某掘進機內(nèi)減速箱中的斜齒輪,，該掘進機在工作4個月（估計累計工作1 000 h）時,，減速箱里發(fā)出異常的聲音，隨后對減速箱進行拆卸檢查,，發(fā)現(xiàn)斜齒輪上有些齒已經(jīng)斷裂,，有些齒因磕碰造成不同程度的損傷；在齒根部看到多處存在裂紋,。本文對該缺陷進行分析,。
斜齒輪的材料：斜齒輪材質(zhì)為20CrNi4A，加工方法為鍛造,、車銑,、磨光，齒輪表面經(jīng)滲碳,、淬火+低溫回火處理[3-5],。
1 對斜齒輪的成分及各種性能檢測
1.1 宏觀檢查
損壞的斜齒輪外形如圖1所示，斜齒輪上連續(xù)5個齒已經(jīng)斷裂,，其他齒也有單個斷裂現(xiàn)象,，斷裂大多發(fā)生在齒根部；多處齒輪最先著力側(cè)面的齒根部存在裂紋，也有一些裂紋在齒輪另一側(cè)齒根部形成,，并與著力面齒根裂紋交匯,，如圖2所示。觀察已斷裂齒的斷裂面,，斷裂面上有裂紋擴展不同階段形成的臺階,，并隱約可見由該臺階一側(cè)向另一臺階發(fā)展的推進弧線，如圖3所示,。斷口形貌表明齒輪為高應(yīng)力低周疲勞斷裂,。
1.2 化學(xué)成分
在斜齒輪中心部位檢測化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示,。
1.3 力學(xué)性能檢測
在斜齒輪中心部位取樣進行力學(xué)性能檢測,，結(jié)果如表2所示。
1.4 維硬度檢測
在斜齒輪橫截面上,，沿齒輪邊緣每間隔0.1 mm向內(nèi)進行滲碳淬火有效硬化層硬度及深度檢測,，檢測結(jié)果如表3所示。
1.5 微觀檢測
在出現(xiàn)裂紋的齒根部切取試樣制備后,，用金相顯微鏡觀察,，受力一側(cè)齒根部裂紋比較嚴(yán)重，裂紋口部呈喇叭口形,，形貌如圖4所示,；裂紋由表面向內(nèi)部呈鋸齒狀擴展，并有多處分叉裂紋產(chǎn)生,，分支裂紋較纖細,，如圖5所示,。齒根另一側(cè)裂紋口部垂直齒根表面,，向內(nèi)部擴展，其裂紋形狀平直,，尾部纖細,。最終齒根兩側(cè)裂紋延伸匯集在一處，合并成一條裂紋延伸心部,。試樣經(jīng)浸蝕后觀察,，所有裂紋兩側(cè)均無脫碳現(xiàn)象[3-6]。
試樣經(jīng)過5%硝酸酒精溶液浸蝕,，低倍下可以看到滲碳硬化層輪廓及齒部熱處理后與基體出現(xiàn)不同的組織界面,，如圖6所示。用金相顯微鏡觀察,，齒廓部位滲碳硬化層組織為：回火馬氏體+少量碳化物+部分殘余奧氏體,；齒根部位組織為：碳濃度較高的回火索氏體，部分碳化物呈網(wǎng)狀分布，如圖7所示,；齒上部區(qū)域組織為：回火索氏體+少量貝氏體,；基體（心部）組織為：索氏體。
基體非金屬夾雜物檢測：A0.5e B1.0e C0 D1.0e（按GB/Tl0561-89評定）,。
1.6 斷口微觀分析
在斷裂處切取試樣進行AMRAY-1000B掃描電鏡觀察,，斷裂起源于齒根部，在齒根部有兩條裂紋向內(nèi)擴展,，裂紋呈沿晶斷裂如圖8,、圖9所示。裂紋擴展區(qū)清晰可見疲勞擴展條紋的微觀形貌,，如圖10所示,。
2 檢測結(jié)果及分析
（1）齒輪化學(xué)成分分析結(jié)果表明,，符合材料的技術(shù)要求,。
（2）斜齒輪力學(xué)性能檢測后,，材料的屈服強度和抗拉強度明顯低于設(shè)計要求,。
（3）斜齒輪有效硬化層深度為1.0 mm,，技術(shù)要求為1.5 mm~1.8 mm,，沒有達到技術(shù)要求；齒面檢測后的硬度為55 HRC,，技術(shù)要求為58~62 HRC,，接近技術(shù)要求下限。
?。?）斜齒輪心部硬度為27 HRC,，技術(shù)要求為36~45 HRC，也沒有達到技術(shù)要求,，從斜齒輪母材顯微組織分析,，沒有達到預(yù)期的熱處理效果。
?。?）通過對斜齒輪顯微組織檢測,，該齒輪齒根部硬化層過淺，并出現(xiàn)網(wǎng)狀分布的碳化物,。齒輪的工作狀態(tài)要求表面硬度較高,、耐磨，心部硬度相對較低,、韌性較好,。通常情況,，齒輪表面一般采用滲碳淬火+低溫回火處理后使用。現(xiàn)該齒輪的表面使用狀態(tài)與理論要求的滲碳淬火表面處理使用狀態(tài)不相符,。由于工藝上不合理,，使其疲勞強度降低，齒輪在承受工作應(yīng)力時,，過早地在齒根處萌生裂紋,；該斜齒輪毛坯材料熱處理效果不佳，材料的強度與技術(shù)要求相差甚遠,，增加了裂紋擴展的速率,，降低了齒輪有效的使用壽命，導(dǎo)致齒輪提前失效斷裂,。
?。?）從斜齒輪斷裂的位置看，疲勞起源于齒輪的最先著力側(cè)面齒根部的應(yīng)力集中處,。從微觀斷口,，有明顯的三個區(qū)域即裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū),，屬典型的疲勞斷裂,。斷口貝紋線比較扁平，隨著疲勞裂紋的擴展,，因斜齒輪的最大正應(yīng)力平面發(fā)生變化,，而使裂紋平面發(fā)生明顯的突然轉(zhuǎn)折，并在新的裂紋平面繼續(xù)擴展,，留下了臺階,，該齒體斷裂。由二次源向擴展的疲勞區(qū)所構(gòu)成,。由于裂紋擴展至斜齒頂部,，齒體一部分先期斷裂，然后從二次源開始繼續(xù)擴展,，最后當(dāng)裂紋達到臨界尺寸時,，齒體瞬時破裂,。
根據(jù)上述斷口分析結(jié)果及斷裂形貌,，認為斜齒輪屬高應(yīng)力低周疲勞斷裂。
3 結(jié)論
該齒輪滲碳,、熱處理是造成早期疲勞斷齒的主要原因,。金相觀察表明，齒根部有位裂紋存在,。質(zhì)料指出,，表面淺層裂紋依次由貝殼狀向網(wǎng)絡(luò)狀、梳狀裂紋過渡（對應(yīng)于能量大到小）,。斷口掃描電鏡證明該齒根表面存在微裂紋,。此種裂紋是齒輪斷裂的禍根。
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