18Cr2Ni4WA大齿轮开裂原因分析

1. 齿轮开裂的研究

齿轮的设计与制造影响着大多机械装备的性能与精度，在工业发展中处于相对突出的地位。目前，齿轮已成为众多机械产品中不可或缺的组成部件，被广泛应用于各种传动机构，它通过轮齿啮合在传递空间两轴之间运动和动力的同时，也承受较大的冲击载荷、交变弯曲应力和接触应力。在齿轮制造阶段，尤其是在经热处理后的机加工过程中，经常会在齿顶、齿根部位出现裂纹。该问题长期困扰着齿轮加工的技术人员。王蓓蕾等对矿井提升机减速器二级齿轮开裂问题就行了分析，其中啮合的一对齿轮中的一个齿轮发生齿面开裂，并穿透整个齿轮圈。分析结果表明，齿轮的断裂属疲劳断裂，齿轮表面尤其是齿根位置硬度偏低，不合理的铸造工艺导致了疲劳裂纹快速扩展。张吉浩等使用宏观裂纹分析、化学成分分析、硬度分析、金相组织分析等多种分析方法，对立车锥齿轮使用过程中出现的齿根开裂问题进行了分析。结果表明，齿轮开裂的主要原因是不当的热处理工艺造成了原始组织粗大。陈亮等采用化学成分分析、显微维氏硬度测试、金相显微镜、扫描电子显微镜及残余应力分析等方法对20CrMnMo钢齿轮表面开裂成因进行了分析。裂纹源位于大孔端面齿根部位，垂直于齿根径向扩展，热处理的热应力、组织应力及装配应力耦合作用下，微裂纹从齿根部开始并进行扩展，逐步贯穿整个齿轮，导致齿轮失效。朱海英等对渗碳齿轮在磨削过程中齿面开裂现象进行分析，该齿轮的热处理工艺为渗碳+二次淬火+低温回火，齿轮原材料为20CrMnMoA。分析结果表明，齿轮渗碳过程中脱碳及磨削过程中应力过大是齿轮发生开裂的主要原因。

本文研究对象为采煤机用齿轮，材料为18Cr2Ni4WA，该渗碳齿轮钢具有良好的淬透性及冲击韧度，经渗碳淬火后具有高的接触疲劳强度、疲劳极限、硬度和耐磨性。齿轮在存放过程中发现多个二轴大齿轮齿顶处有裂纹，除裂纹数量不同外，裂纹形状及发生部位类似。齿轮加工工艺路线为：锻造→机加工→正火+回火→渗碳+高温回火→淬火→冷处理→回火；技术要求为轮齿表面渗碳，整体淬火；有效硬化层深为0.8~1.2mm，齿面硬度为58~60HRC，心部硬度36~42HRC。

2. 理化分析

（1）宏观分析 齿轮裂纹宏观形貌如图1所示，齿轮开裂部位位于齿顶部（即齿顶到节圆部位），裂纹深度为4~7mm，裂纹基本垂直于轴线，相邻多个齿的裂纹走向基本一致并可连成一线，属于横向裂纹。

图1 开裂齿轮宏观形貌

（2）化学成分分析 齿轮的化学成分检测结果如表1所示。从表中可以看出齿轮试样化学成分符合GB/T 3077—2015合金结构钢规定的18Cr2Ni4WA钢材要求。在齿根部以下部位取样，在酸浸试样上无明显疏松、偏析等，如图2所示。

栽培要点：河北北部、内蒙古全部在4月底5月初播种。播种前18～20天将种薯提前出窖以10cm厚度平铺于暖室，18℃催芽12天，待芽基催至0.5～0.7cm时转到室外晒种8天。切块重30g左右，每个切块确保1～2芽。切刀用0.4%高锰酸钾溶液消毒，防止病害传播。每亩种植3500～4000株。结合播种每亩施优质农家肥3000kg，混施马铃薯专用肥50kg；苗高20cm时中耕一次，现蕾前结合中耕培土一次，主要防治马铃薯早疫病和晚疫病。在现蕾期开始用药，可以选择50%烯酰吗啉可湿性粉剂等药剂交替使用，生育期共用药3～5次。

（3）裂纹形貌分析 低倍裂纹形貌如图3所示。从图中可见，试样表面裂纹粗大，裂纹间有夹杂物，无二次裂纹，裂纹旁边有一带状密集组织（颗粒状氧化物）。裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃。条带状夹杂物是由于该齿轮锻造成形比较复杂，两台阶分别成形，齿轮台阶成形时中部材料在横向方向上延伸，齿轮外圆方向没有足够的锻造比，造成非金属夹杂物被拉长。

（4）金相组织 采用NEOPHOT-21型光学显微镜进行观察，非裂纹齿部、心部，齿部裂纹处的金相组织如图4~图6所示。

表1 开裂齿轮化学成分（质量分数） （%）

项目 C Si Mn Cr Ni W S p标准值 0.13~0.19 0.17~0.37 0.30~0.60 1.35~1.65 4.00~4.50 0.80~1.20≤0.020≤0.020实测值 0.17 0.29 0.54 1.38 4.21 0.98 0.015 0.018

图2 酸浸试样

图3 低倍裂纹形貌

非裂纹部位齿轮的渗层组织为碳化物、回火马氏体和残留奥氏体，碳化物级别为1级，马氏体2级，残留奥氏体1级；心部组织为低碳板条状马氏体。组织良好，符合渗碳淬火齿轮组织要求，渗碳淬火工艺没有技术问题。

频率稳定度是精密振荡器的重要特性之一，也是衡量频率标准稳定性的重要指标[15-16]。对于频率稳定度的精确测量即可以确定振荡器的性能优劣，同时可以促进精密振荡器的研制。频率稳定度的测量分为频域测量和时域测量，文中主要在时域对卫星本振频率稳定度进行测量分析。

图4 非裂纹部位的渗碳层组（400×）

图5 非裂纹部位的心部组织（400×）

图6 裂纹处的金相组织

裂纹开口边缘部位的成分为碳化物、回火马氏体和残留奥氏体，裂纹中部边缘组织也为碳化物、回火马氏体和残留奥氏体。

齿轮有效硬化层0.998mm，表面硬度58.9~61.0HRC，心部硬度40.5~42.5HRC。从实物齿轮渗碳金相及有效硬化层检测数据看，金相组织及相应组织级别没有异常，符合大齿轮热处理技术要求。

3. 结论及建议

根据宏观分析、化学分析、裂纹形貌和金相组织分析，可得出以下结论：

（1）齿轮热处理工艺合理，渗碳淬火质量良好。

平时成绩中,需要结合教学方式,突出对学生课堂表现的考查。除课堂提问外,针对工程实际中的问题开展分组讨论,评价分组讨论的结果,并对每个同学在分组中的表现进行综合考评。

（2）齿轮原材料夹杂物级别偏大，大尺寸及密集非金属夹杂物破坏了金属的连续性，引起局部的应力集中，造成细微裂纹产生。

（3）齿轮在淬火后残余应力进一步增加，由于回火的缘故，裂纹没有穿透表面，但在齿轮后续磨削应力的作用下产生应力叠加，在随后的放置过程中，应力释放导致裂纹贯穿齿面。

产业集聚区域的知识产权保护程度较弱会导致模仿盛行，进而形成“劣币驱逐良币”，创新型企业就会逐步失去竞争的机会。利用中国各地区面板数据对知识产权保护水平与产业集聚之间的关系进行实证检验，计量结果显示，对知识产权保护水平与产业集聚之间呈现显著的正向关系，提高知识产权保护水平有助于促进经济活动的集聚。

（4）结合裂纹形状、裂纹走向、裂纹分布，该裂纹由原材料夹杂物引起，并且由于锻造工艺不理想最终造成齿轮开裂。

建议原材料检验中加强对大尺寸非金属夹杂物的检查，并调整锻造成形工艺。

参考文献：

[1]王蓓蕾，康学勤.矿井提升机减速器齿轮开裂分析[J].矿山机械，2006，34（11）：67-68.

[2]张吉浩，徐显卉，李景超，等.车床齿轮开裂失效分析[J].物理测试，2014，32（6）：37-39.

[3] 陈亮，谭小明，樊洋.20CrMnMo钢齿轮开裂原因分析[J].机车车辆工艺，2015（6）：40-41.

[4]朱海英，潘学军，倪军威.渗碳齿轮开裂原因分析[J].石油和化工设备，2016（12）：68-72.