曲軸齒輪斷裂失效原因分析
2020-01-17 張曉云 成忠 于彥峰
（陜西柴油機(jī)重工有限公司工藝研究所）
我公司生產(chǎn)的某型船用柴油機(jī)曲軸齒輪圖樣要求材料牌號(hào)為12CrNi3AGB/T3077-1999，滲碳層深度0.9～1.3mm（工藝滲層深度1.1～1.5mm），滲碳層硬度58～61HRC。
該零件的加工工藝過程為：原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)→下料→鍛造齒坯→齒坯加工→滾齒→齒形幾何精度檢驗(yàn)→滲碳→去碳層→淬火及回火→齒形精加工+磨齒形→清理輪齒、防銹和包裝。僅保留齒面的碳層，因此該齒輪齒面硬度高，心部綜合力學(xué)性能好。該齒輪使用約100h，產(chǎn)生齒輪斷齒事故，斷齒斷口及未斷裂齒宏觀形貌見圖1所示，對(duì)斷齒齒輪進(jìn)行探傷后發(fā)現(xiàn)有些（未斷裂）齒的齒面存在裂紋見圖2所示。針對(duì)齒輪輪齒的斷裂，我們進(jìn)行了以下分析。
圖1 斷齒斷口及未斷裂齒宏觀形貌
圖2 未斷輪齒齒面著色探傷，可見滲透顯示的位置與分布
1.材料分析
原材料為12CrNi3A，具體化學(xué)成分見附表。
12CrNi3A化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
2.試驗(yàn)過程與結(jié)果
斷口形貌分析：該齒輪3個(gè)相連的齒都從齒面節(jié)圓附近開裂，向另一齒面的齒根和齒寬方向擴(kuò)展，最終斷裂，裂紋形貌見圖3、圖4。
圖3 未經(jīng)腐蝕的裂紋形貌
圖4 腐蝕后的裂紋形貌
用硬度法檢測滲碳層深度（見圖5）及硬化層曲線（見圖6）?？梢姡不瘜由睿河辛鸭y齒面一側(cè)0.73mm，一側(cè)0.75mm；無裂紋齒面一側(cè)0.78mm，一側(cè)0.81mm。硬度檢測：有裂紋齒面硬度為56.3HRC、56.7HRC；無裂紋齒頂硬度為56.5HRC、56.2HRC。硬度及層深均不滿足圖樣要求。
圖5 層深檢測
圖6 硬化層曲線
注：A1為有裂紋齒面兩側(cè)硬度曲線；A2為無裂紋齒面兩側(cè)硬度曲線
3.結(jié)語
由圖可以看出斷面有油污，清理后呈灰色，齒斷于節(jié)圓附近，斷口上可見到明顯的疲勞溝線和疲勞弧線，齒輪的嚙合過程，節(jié)圓部位主要承受周期性壓應(yīng)力和滾動(dòng)（或滑動(dòng)）引起的切應(yīng)力作用，是應(yīng)力比較集中的部位，該部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋源。此外，由于滲碳層深度不足，導(dǎo)致零件表面硬度偏低，在高循環(huán)應(yīng)力作用下，疲勞裂紋形成后沿齒寬方向（滲碳層）快速擴(kuò)展，最終在齒上形成淺而長的疲勞裂紋，導(dǎo)致齒輪斷裂失效。
來源：《金屬加工：熱加工》2015年第7期
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