减速机轴齿轮断齿分析

失心控

生产实践减速机轴齿轮断齿分析田玉伟苏崇涛（本溪钢铁集团）有限责任公司）认为减速机轴齿轮断齿主要是由于轴齿轮轮齿处锻造比太低，锭型偏析未消除，且存在大量的非金属夹杂物，严重影响了材料的强韧性所导致的。

　　1刖目某炼铁厂混合机在试生产过程中，减速机二段轴齿轮卿中间轴齿轮）发生大面积轮齿折断，该减速机服役时间不到48h轴齿轮的材质为20CMiMp轮齿齿顶圆直径为466 8mm法向模数为2Q生产工艺为：钢锭―锻造※退火※粗加工―调质―精加工。为查找轮齿断裂的原因，从断齿上截取试样对轴齿轮进行了失效分析。

　　2检验与分析断齿的形貌见所示。

　　21宏观断口宏观断口检验发现，轮齿的断口主要由裂纹源及裂纹扩展区和最后断裂区组成（见）。从田玉伟，工程师，1997年毕业于沈阳工业大学金属材料与热处理专业，现于本钢技术中心从事金相分析工作（117000）。

　　断裂源附近的断口形貌可以看出，断裂源位于断齿大块碎片的内侧，但是裂纹源不在齿的内部，而是产生于齿下约3mm处的轴内。裂纹扩展区存在明显的放射线纹，许多部位隐约可以看见发亮的结晶状断口区域断裂区的断口为纤维状。

　　断齿的形貌22宏观组织断口的形貌首先，在断裂源所在的部位截取低倍试样，并用Sed试剂浸蚀受检表面以便检验轴的铸态枝晶情况。由浸蚀后的试样可以看出，齿廓处有一层2 5厚的深色渗碳层，这是表面渗碳时形成的。此外，离齿顶约70处存在着点状偏析带，偏析带到齿顶之间的区域有明显的枝晶结构，基本保持了铸态的形貌，几乎没有锻造过程中被打碎的迹象。而偏析带到轴心方向的区域枝晶特征不明显（见）枝晶的存在说明了铸态组织未完全消除。由此可见，齿轮轴的锻造比太低。

　　其次，在穿过轴上的断裂源截取垂直于轴心的横截面试样，进行轴体的热酸低倍检验。结果发现，断裂源的位置基本处于轴体的偏析带内，为锭型偏析带，按GB/T979―2001标准评为3级。此外，齿轮轴上未发现气泡、白点等冶金缺陷，而断齿的加工粗糙度也符合设计要求，整个齿面没有发现加工缺陷。

　　断齿附近的低倍形貌23钢的化学成分在断口上钻取粉末以分析钢的化学成分。结果（见表1）发现，除C外，钢的化学成分均符合GB/T077的要求。虽然C含量超过了规定的上限值，但仍符合GB/T222规定的允许偏差值，故可认为钢的化学成分合格。

　　表1钢的化学成分/%元素实物成分规定值24钢的力学性能齿顶面部位的渗碳层硬度符合技术条件的要求，硬度值比较均匀。但是，在断口部位截取平行于轴纵向的V型缺口夏比冲击试样进行的冲击性状态。

　　表2硬度和冲击）断裂源以外的区域均为准解理断口，其中许多部位存在二次裂纹。因此，轮齿折断属于典型的穿晶断裂，其断裂源为非金属夹杂物。

　　26显微组织分析上述断口试样的金相分析结果发现，断裂源及其附近存在大量网状和断续网状沿原始奥氏体晶界分布的非金属夹杂物，见所示。轴体和田玉伟苏崇涛：减速机轴齿轮断齿分析断裂源处的非金属夹杂物齿内的显微组织为回火粒状贝氏体+极少量铁素体，见所示。对于20CMIMQ钢的调质处理组织来说，这是正常的。

　　断裂源处的网状非金属夹杂物钢的显微组织渗碳层处的显微组织大多为回火马氏体+少量回火粒状贝氏体及点状碳化物，渗碳层表面还存在较严重的网状碳化物。

　　3分析与讨论从上述检验结果及分析可以看出，断裂源位于断齿内部距齿顶75mm处，此处为铸锭的锭型偏析区。钢锭结晶过程中，由于结晶规律的影响，在柱状晶区与中心等轴晶区交界处形成的成分偏析和杂质聚集区域称为锭型偏析区。轴齿轮化学成分中，碳、锰的含量都处于标准规定的上限，会加重锭型偏析。此处由于杂质元素富集，易形成非金属夹杂物。显微断口分析和光学金相分析结果均发现，在断裂源附近存在大量的非金属夹杂物，沿原始奥氏体晶界分布的网状和断续网状非金属夹杂物对钢的力学性能非常不利。因为这种沿原始奥氏体晶界分布的非金属夹杂物割断了金属的连续性，当金属受到应力作用时，非金属夹杂物和金属之间的界面相对于金属本身是比较薄弱的区域，因此就会在非金属夹杂物和金属的界面处首先产生显微裂纹，提高了偏析区的脆性，因此夹杂物成为断裂源。

　　此外，枝晶显示表明，枝晶结构基本保持了铸态形貌，几乎没有锻造过程中被打碎的迹象。这表明轮齿部分的锻造比很低，以至于粗大的一次组织依然可见。这种近乎铸态的粗大组织结构削弱了随后退火工艺均匀化学成分的作用，会遗留到随后的热处理组织内。由于成分偏析造成组织的不均匀，严重影响了材料的强韧性。

　　钢的显微组织为回火粒状贝氏体和少量的回火马氏体及铁素体组织。没有裂纹产生时，这种显微组织具有很好的综合力学性能，但本身具有很高的裂纹敏感性。一旦有裂纹产生就可以以低能量快速扩展，使零件发生断裂。

　　上述的脆性因素会降低材料对过载或突变载荷的承受能力，致使轴齿轮使用后在很短的时间内就发生断齿。此外，从整支轴齿轮的设计来看，受力的薄弱处应是轮齿旁边的键槽部位，而实际上键槽并没有受损，轮齿却发生了大面积的断裂，这也说明了轴齿轮的冶金质量不合格。

　　4结论对某炼铁厂减速机轴齿轮的断齿进行了化学成分、力学性能及宏观和微观组织分析与检验，认为该次事故是因为轴齿轮轮齿处锻造比太低，锭型偏析未消除，且存在大量的非金属夹杂物，严重影响了材料的强韧性，降低了材料对过载或突变载荷的承受能力，最终导致轴齿轮断齿。

转自：http://www.chinabaike.com/t/30150/2016/0222/4353600.html