轧钢厂齿轮轴断裂原因分析

李　锋　王俊海　吕学星

(山东泰山钢铁集团有限公司研究所，山东 271100)

摘  要：轧钢厂输出齿轮轴在工作过程中发生齿部断裂，严重影响了正常的生产工作。本文介绍了通过采用低倍分析、硬度测定及金相组织检测等手段，对齿轮轴齿部断裂原因进行的分析结果。

关键词：齿轮轴；断裂分析；疲劳强度

1　前言

某轧钢厂的输出齿轮轴在使用两个月左右出现三处齿部断裂。针对这一原因，采用低倍分析、硬度测定以及金相组织检测等手段，对齿轮轴断裂原因进行了分析。齿轮轴的主要技术要求为：材质42CrMo，粗加工后调质硬度250～280HBS，齿部表面淬火45～52HRC，淬火层深度≥1mm，全齿高36mm。

2　试验方法及试样的切取

选取断掉的齿部，在有裂纹源的地方采用线切割法平行切取宽20mm的试样进行低倍分析、硬度测定、金相组织分析等检验。

3　试验结果

3.1　断口宏观分析

通过对损坏的齿轮轴进行观察，发现其齿部工作面上存在一些麻点及凹坑，共有三块断裂齿。图1为齿轮轴的宏观照片。

从照片可知，齿部断口均光滑平坦，有疲劳贝纹线。疲劳源位于齿根区，有多条台阶条纹，说明齿根部有应力集中现象。很容易看出，疲劳源呈线状，有多个裂纹源。断口区域依次为裂纹源，稳定疲劳区(贝纹线清楚)，失稳疲劳区(贝纹线宽，象台阶状)及瞬时断裂区。

(a)                                    (b)

图1　损坏齿轮轴及断齿宏观照片

3.2　低倍试验

将切割好的试样放在烧杯中，加入50%的盐酸水溶液后在电热炉上加热15min，取出后用水清洗干净，观察其低倍组织。观察后发现试样淬硬层比较明显。对淬硬层长度及厚度进行了测量，结果见表1。

从结果来看，淬硬层厚度达到要求，但淬硬层长度不均匀，有的部位没有达到技术要求，而首先断裂的地方恰好在没有达到要求的齿根部位。

3.3　硬度试验

根据图2所标注的位置做三组硬度测定。第一组为淬硬层，做洛氏硬度测定；二、三组为调质部分，做布氏硬度测定。顺序均为从齿顶到齿根。测定结果见表2。

图2　硬度测定位置

从测定结果来看，齿部表面淬火层硬度合格，但调质部分硬度偏下限，其中有三点不符合技术要求。

3.4　金相组织分析

将测定完硬度的试样，用砂轮机重新磨平，经预磨机、抛光机磨光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，在GX-51金相显微镜上观察金相组织，结果见表3。

3.5　补充试验

试样重新进行调质热处理，淬火工艺为：加热1h至870℃，保温1.5h后油冷。然后高温回火，工艺为：加热1h至520℃，保温3h后油冷。试样磨光腐蚀后，观察其金相组织为回火索氏体。在该试样上做布氏硬度测定，所测12个点的硬度值列于表4。

　  经过重新调质热处理，轮齿的平均硬度值达到了338.6HBW。补充试验说明，经过恰当的调质热处理可以提高工件的硬度，消除组织中的条状铁素体。

4　分析讨论

齿部断口属于典型的疲劳断裂，疲劳源为线状，有多个疲劳源。疲劳区域面积大，而瞬断区面积非常小，说明使用应力超过疲劳强度应力不大。淬火过程中，齿轮工作面淬硬层长度不均匀，且没有达到技术要求，使齿部的耐磨性下降，工作过程中摩擦力增加，疲劳强度下降，随后在齿根没有淬硬层的地方形成疲劳源，以疲劳扩展方式致使齿部断裂。

要使齿轮获得较好的综合力学性能，必须要求其具有均匀的回火索氏体组织。通过观察发现组织中存在条状铁素体，而铁素体属于低硬度相，这大大降低了材料的力学性能。

从上面试验可看到，轮齿的硬度偏下限且有三个点不合格。齿轮调质部分组织为条状铁素体+回火索氏体，低硬度的铁素体相降低了齿轮的疲劳强度。我们认为，这是工件在淬火过程中温度过低，铁素体没有完全溶解消失，经回火热处理后铁素体仍然存在造成的。补充试验证明，齿轮的硬度偏低是由厂家调质处理不当造成。由于该齿轮为低应力高周疲劳断裂，疲劳强度基本决定于硬度，所以，断裂源发生于疲劳强度低处。

齿轮的齿部工作面均存在麻点及凹坑，我们认为是安装精度不够造成的。由于配对的两齿轮轴不完全平行或轴间距不当，使齿轮在工作过程中啮合不好，齿顶所受应力偏大，且比较集中，使齿部抗接触疲劳的能力下降，剥落后形成了麻点及凹坑。

5　结论

(1)齿轮存在质量问题：淬硬层长度不均，有的部位达不到技术要求；调质热处理不恰当，造成组织中存在大量条状铁素体。

(2)设备安装精度不够。