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作者：贾云峰 单位：秦川机床工具集团股份公司 来源：《金属加工（热加工）》杂志 齿轮转动是机械转动中重要的一种传动形式之一，它具有传动效率高、工作可靠、传动比准确结构紧凑、寿命长等优点，在机床、汽车等产品中广泛应用，齿轮通过轮齿啮合传递扭矩和动力，承受较大的交变弯曲应力、接触应力，易产生齿面点蚀、胶合等失效，甚至是断齿。 某齿轮箱中的齿轮轴（见图1），工作过程中载荷较大，材料为18Cr2Ni4W，属于高强度中合金渗碳钢，强度高，韧性好，性能优异，淬透性好， 主要工艺流程：锻造→正火→车削→滚齿→渗碳→去碳→淬火→粗磨→磨齿→精磨。
热处理要求为渗碳层深1.2mm，淬硬58HRC。零件的热处理过程曲线如图2所示。
其中一根齿轮轴使用一年后就发生断裂，齿部完好，在φ90mm外圆与齿部之间发生断裂。我们对断裂的轴进行了分析，从齿轮设计、机械加工、热处理等方面提出改进意见，以避免类似情况再次发生。 2.裂纹分析 （1）化学成分 断裂零件取试样进行化学成分分析，如附表所示，成分符合标准。 18Cr2Ni4W钢化学成分（质量分数） （%）
（2）硬度检测 表面硬度59～60HRC，心部硬度42～44HRC，符合技术要求。 （3）断口形态 图3为断口的形貌。
1.裂纹源 2.裂纹扩展区 3.瞬间断裂区 （4）断口分析 断口存在典型的贝壳状花纹，从断口的宏观形貌看，断口由3个具有不同特征的区域组成，1区域为裂纹源，呈半月形，表面黑色，面积约为6mm2；2区域为裂纹扩展区，表面呈细致的瓷状；3区域为瞬间断裂区，形貌粗糙，凹凸较大，具有放射状条纹，约占总面积的50%。属于典型的疲劳裂纹断口。 该齿轮轴断裂发生在沉割槽处，断面上有一小块黑色区域1，表明此处裂纹发生较早，仔细观察零件的断裂处，沉割槽内光洁度很差，有很深的加工刀痕，在热处理过程中此处产生了一个小裂纹，裂纹表面在加热、冷却过程中被氧化，因此呈黑色。裂纹处于沉割槽内，难以被发现。在使用过程中，齿轮轴受交变载荷的作用，裂纹逐渐扩展，此时扩展速度较慢，形成区域2（扩展区），由于18Cr2Ni4W钢的淬透性非常高，心部淬后硬度达42～44HRC，硬度较高，因此扩展区无明显的年轮条纹。疲劳裂纹扩展到一定程度，轴的有效截面缩小，导致强度不足，引起瞬时超载，造成断裂，断面具有快速断裂的特征，由于轴的硬度高，而且工作时受力较大，因此形成的最终断裂区所占的面积较大，约占总面积的50%。 2.改进措施 疲劳破坏对缺陷具有很大的敏感性，一般起源于零件高度应力集中的部分或表面缺陷处，如表面裂纹、软点、夹杂、急剧的转角过渡及刀痕等。导致疲劳破坏的工作应力很低，往往低于材料的屈服强度。在使用一年时间就发生断裂，可见齿轮轴表面的缺陷造成了高度应力集中，降低了抗疲劳强度，大大缩短了齿轮轴的使用寿命，18Cr2Ni4W钢对应力集中比较敏感，尤需加以注意。零件截面发生变化的地方，都会产生应力集中现象。因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采用圆角过渡，而不应加工成易出现问题的沉割槽，各段阶梯外圆之间增加R3～R5mm的圆弧过渡，以降低应力集中。圆弧过渡的加工质量更便于控制，不易出现加工缺陷。提高零件的表面光洁度，也可有效降低应力集中。 图4是改进后的零件结构。
图 4 3.结语 齿轮轴的零件结构、机械加工质量、热处理过程、材料化学成分等各方面的不良因素都会导致轴的失效，因此只有从改善零件的设计结构、严格控制原材料成分、提高机械加工精度、提高热处理过程质量等方面综合考虑，才能保证轴的质量，延长轴的寿命。经过改进后齿轮轴再无断裂现象发生。  《金属加工（热加工）》杂志热处理栏目投稿范围：前沿金属材料研究，先进、实用的热处理工艺和技术，整体热处理，热处理装备的开发，淬火冷却技术，材料检测与分析，热温测量与控制，零件失效分析等。 声明：本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！ |
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来自： 阿明哥哥资料区 > 《24.齿轮制造及机床.》
