斜齿轮早期断裂的原因分析

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1、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AnalysisonEarlyBreakingCauseofBevelGearsZhangZiguo（BaodingPropellerFactory，Baodjng072152）【Abstract】Thispaperstudiedandanalysedtheearlybreakinginanumberofthedrivenge

2、ars（carburizedparts）of8mfans.Theanalysispresentthecausefortheearlybreakingofgearsisthattheinadequatequenchingandthehightemperatureofgearsafterquenchingresultingintoomuchretainedausteniteandmartensiteonthegearsurfaceaftertemperingandthusthestrengthofthegearisreduced.Keywords：gear，martensite，st

3、rength　　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5　　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　

4、6台主、被动齿轮的情况检测内容出厂前齿面探伤情况断齿件数／件齿断裂（％）单件齿数／齿单件断齿数／齿齿面硬度HRC齿面情况主动齿轮无裂纹0019060正常被动齿轮无裂纹6100705～2462断齿面有严重裂纹　　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G

5、B　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零件号淬火前油温／℃淬火后油温／℃冷却时间／min零件齿部温度／℃12356404560921009292921281283

6、027241510108110115145152　　测试结果表明，淬火后零件表面最低温度达到108℃，最高达152℃5。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

7、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aK＜100kJ／m2。　　采取