斜齿轮早期断裂的原因分析

斜齿轮早期断裂的原因分析

张自国

【摘要】对8m风机渗碳斜齿轮出现成批早期断齿现象进行了研究和分析。分析认为：早期断齿原因是由淬火冷却不充分，淬火件出油温度太高，造成回火后齿表层残留奥氏体和淬火马氏体组织过多，从而降低了齿部强度所致。

关键词：齿轮马氏体强度

Analysis on Early Breaking Cause of Bevel Gears

Zhang Ziguo（Baoding Propeller Factory，Baodjng 072152）

【Abstract】 This paper studied and analysed the early breaking in a number of the driven gears（carburized parts）of 8m fans.The analysis present the cause for the early breaking of gears is that the inadequate quenching and the high temperature of gears after quenching resulting in too much retained austenite and martensite on the gear surface after tempering and thus the strength of the gear is reduced.

Key words：gear，martensite，strength

一批6台8m风机减速器中的被动斜齿轮，在使用很短的时间内就出现齿部早期断裂现象，断裂情况见图1，失效率达100％。设计规定寿命＞104h，而使用最短的仅有几个小时，由于齿轮断裂必须更换整台减速器（单台价值数万元），损失严重，给化工厂造成停机的损失更大。因此，必须避免这类问题发生。

图1 被动齿轮断齿照片

此产品在我厂是一个定型产品，已生产了上百台，工艺成熟，质量

比较稳定，虽然过去也出现过个别齿断裂的情况，但象这样成批齿轮早期齿断裂现象还是首次。因此，对这批失效被动齿轮进行了研究分析和试验。

1 试验及分析

经检测，失效齿轮尺寸符合设计要求，其他情况见表1。

表1 6台主、被动齿轮的情况

主动齿轮和被动齿轮的材料都是20CrMnTi钢。经同样的工艺进行渗碳，热处理的淬火、回火温度及硬度也相同。从设计角度计算，主动齿轮在传动过程中受力较大，比被动齿轮更易断裂。而实际使用中，被动齿轮断齿严重，主动齿轮无断齿现象。

设计要求主、被动齿轮齿部强度（σb≥1080MPa）相同。在同样运行的情况下仅被动齿轮断裂，说明被动齿轮的齿部强度低。

对材料进行复验，结果符合GB 3077—88，材料是合格的。因此主要从热处理工艺和表面组织方面进行分析。

从齿轮原始热处理记录上查出本批零件6件，分两炉渗碳，在一炉次中进行的淬、回火工序，淬火、回火之间的时间间隔为30min。

由于零件较大，单件重量约230kg，数量又多，热容量大。考虑到在油槽（装油量3000kg）中淬火，使油温升高太多，冷却不很充分，可能造成组织转变不完全。所以对此进行试验，采用同种零件6件，进行淬火冷却方面的测量，见表2。

表2 淬火前、后的油温和零件表面温度

测试结果表明，淬火后零件表面最低温度达到108℃，最高达152℃。在这么高的温度下，零件立即转入回火炉中回火，使热处理后残留奥氏

体增加，表层存在淬火马氏体组织过多，从而降低了齿部的强度。

按以上实际情况给出热处理曲线图，见图2。

图2 齿轮实际热处理工艺曲线

根据20CrMnTi钢的等温转变曲线，由于20CrMnTi钢渗碳后Ms点较低，约150℃，而齿轮淬火后齿部温度高达108～152℃，其马氏体转变量很少或者没转变。这样，齿轮在存在大量的残留奥氏体的情况下就加热到200℃回火（保温3.5h）。由于奥氏体的陈化稳定现象，会增加残留奥氏体的含量。所以这样热处理后齿轮表层会存在大量的淬火马氏体和残留奥氏体组织。

图3是齿轮的金相组织，可见表层白色区域较多。一般认为，白色区域应该是残留奥氏体组织。但对白色区域进行硬度检测，发现硬度较高，达593～644HV。说明白色区域并不全是残留奥氏体组织，分析认为多数是淬火马氏体组织。

图3 失效齿轮金相组织

据文献［1］介绍：淬火马氏体的强度随含碳量的增加而降低。当含碳量在1％时，淬火马氏体的强度σb只有600～700MPa，冲击值a K＜100kJ ／m2。

采取不同的工艺对其进行性能测试，结果见表3。试验说明：

20CrMnTi钢渗碳淬火后强度很低，σb＝525MPa，在120℃油中淬火，180℃回火后的强度（σb＝538MPa）也很低和淬火后强度接近。证明这两种工

艺处理后钢的组织相似，基体组织都应该是淬火马氏体。

表3 20CrMnTi钢渗碳后经不同工艺热处理后的性能数据

无论资料介绍，还是实测结果都表明，高碳马氏体强度较低，达不到齿轮设计规定值σb≥1080MPa。而实测结果σb＝538MPa只相当于设计水平的49.8％。此产品的设计保险系数为1.387，也就是说，运行情况下受力达到778.7MPa（相当于设计强度的72.1％）。

按以上生产工艺热处理后的齿轮齿部强度低于使用应力，所以在使用过程中很容易产生断齿现象。

在调查中发现此批齿轮断齿程度不同，最少的断5个齿（占总齿数的7％），并且齿面上存在的磨削裂纹数量较少。严重的断24个齿（占总数的34％），并且齿面上磨削裂纹数量较多。经分析认为这一现象可能与淬火顺序有关，先入油槽淬火的油温低，比后入槽淬火的零件冷却要充分，表面温度较低，马氏体转变要多，在回火后低强度的淬火马氏体量相对地少一些，热处理后的强度相应地就高一些。因此，在使用时断齿相对地少。比较而言，最后淬火的零件，热处理后表面残留奥氏体和淬火马氏体量相对地多，强度较低，在使用过程中断齿最严重。并且，由于残留奥氏体和淬火马氏体的存在量大，在磨削加工时最易出现磨削裂纹。这也是断齿严重的零件齿表面上磨削裂纹也多的原因。

根据以上的研究分析认为，引起斜齿轮早期失效的原因是由于淬火零件一次投入冷却介质中数量太多，使淬火介质温度升得太高，淬火冷却不充分，表面温度较高，造成回火后表层残留奥氏体和淬火马氏体组织较多，使齿面强度降低（达不到设计要求）从而在使用时引起早期断齿现象。

2 改进工艺

根据分析对热处理工艺进行改进，见表4。

表4 两种热处理工艺的差别及效果