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2020年 第5期 热加工 49 H 热处理 eat Treatment 齿轮弯曲疲劳断裂失效分析 吴佩泽，周晓红，闫雪侠 西安煤矿机械有限公司 陕西西安 710200 摘要采煤机齿轮在使用过程中主要的失效形式是齿轮断齿。齿轮断齿主要是由于弯曲疲劳强度没有达到设 计要求。阐述对影响齿轮弯曲疲劳强度的齿轮心部硬度，齿根硬度和齿廓倒角这三个因素作相应的分析。 关键词齿轮心部硬度；齿根硬度；齿根圆角 1 序言 采煤机齿轮传动分闭式和开式两种，闭式传动 齿轮的主要失效形式是轮齿弯曲疲劳断裂，齿面接 触疲劳破坏，齿面胶合和塑性变形。目前，我公司 齿轮产品失效的问题主要是使用中出现的断齿现象 和生产中出现的磨齿裂纹。这里主要从齿轮心部硬 度、齿根硬度和齿根圆角对齿轮弯曲疲劳破坏方面 进行失效分析。 2 失效分析 2.1 心部硬度 齿轮的心部硬度值是一个综合性指标，其承载 特性对强度和韧性都有严格要求，且心部硬度的高 低也在一定程度上反映心部组织[1-2]。齿轮心部淬火 后的硬度值高低受材料、尺寸和冷却方式等因素影 响。国标对材料化学成分的要求是一个范围，因此 即使同牌号的材料由于成分波动也会导致淬火后硬 度高低不同。齿轮心部的提高会在一定范围内提高 弯曲疲劳强度，但当硬度超过一定值时，会使工件 表面存在不利的残余应力，反而使疲劳强度降低[3]。 国内外试验表明为提高大模数、深渗层齿轮件综 合性能，应将心部硬度控制在3342HRC[4]。齿根心 部硬度对疲劳强度的影响如图1所示。 目前，我公司的齿轮材料主要是18Cr2Ni4WA 和20Cr2Ni4A合金渗碳钢。对于心部硬度要求为 3842HRC，相比上述范围要求更加严格。工艺 层面上达到要求的硬度并不难，但国内材料如 18Cr2Ni4WA钢wC为0.130.19，20Cr2Ni4A钢wC 吸收能量较低，这是因为钢管的组织未淬透，靠近 外壁区域从奥氏体析出了少量白色条状铁素体和羽 毛状贝氏体，壁厚的中间位置组织较差，白色的铁 素体数量增多，连接成网状。 2）通过优化成分和采用新的浸入内喷淬火工艺 后，外表面冷却水流量增加，钢管与冷却水的接触 面积更大，表面形成的蒸气泡膜被迅速打破，内喷 水的流速和压力得到提高，管子转速加快，保证了 冷却速度更快，淬火后获得完全致密马氏体组织， 钢种的各项力学性能合格。 参考文献 [1] 李安铭.预处理对40Cr 钢亚温淬火后组织性能的影 响[J].热加工工艺，2013，42（2）145-147． [2] 贺凯林.40Cr钢主轴开裂分析[J].热处理，2019，34 （6）48-50． [3] 王志超，孙维连，张淼，等. 40Cr 汽车转向节开裂 失效分析[J].热加工工艺，2018，47（10）254- 256． [4] 崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京机械工 业出版社，2007． [5] 王炳英，薄国公.螺杆钻具主轴的断裂失效分析[J]. 热加工工艺，2010，39（14）183-187． [6] 杨金艳，凌晨，吴澎，等.高强度螺栓断裂原因分析 [J].热加工工艺，2019，48（20）173-176． 20200324 2020年 第5期 热加工 50 H 热处理 eat Treatment 为0.170.23，不同进厂批次的材料化学成分也 存在偏差。根据我公司多年的检测结果来看，不论 工艺如何改进，要将心部硬度控制在要求的范围内 都是有一定难度的。鉴于此种情况，应对进厂原材 料的化学成分制定更为严格的企标。 2.2 齿根硬度 我公司齿轮的热处理工艺主要分为两类渗碳 整体淬火；渗碳调质表面淬火。对于花键联结 的齿轮，受花键加工刀具硬度制约，对此类齿轮的 工艺只能采取后者。对于表面淬火的齿轮，硬化层 深度不应小于齿轮模数的15，且硬化层应包括齿 根圆角部分。因此，热处理的问题就是在表面淬火 时，如不能将整个齿（包括齿的心部）完全加热和 冷却，当齿的圆角不能淬硬时，齿根硬化层浅或没 有，其疲劳强度仅为硬化后的5080。理想的加 热透热范围如图2所示。 图2 齿根加热层范围 根据多次断齿检测结果，如图3所示断齿的径 向截面热透入深度宏观图，发现一部分齿根部没有 透热，没有达到有效的硬化层，其弯曲强度大打折 扣。但目前的检测手段无法直接对表面淬火齿轮齿 根硬度进行准确检测，只能通过检测端面齿根对应 部位硬度或是进行破坏性检测。因不能实时检测就 会使个别不合格产品转到下道工序，在实际使用中 存在隐患。 a） b） 图3 齿根加热深度 2.3 齿根圆角 齿的弯曲折断主要是因齿根处应力过大，工作 中受交变应力产生疲劳裂纹，最后在某峰值应力下 断裂。齿轮齿根圆角部位的应力集中也是影响齿轮 弯曲疲劳的重要因素[5]。为了减小齿轮根部应力集 中，工艺要求规范齿轮倒角，但实际倒角时常因操 作不当形成了豁口，没有达到减小应力的目的，反 而会形成新的应力集中点，使齿根应力增加很多。 此外，齿根过渡圆角的大小受齿根圆直径和有效起 始圆直径的限制，必须使过渡曲线在配对齿轮齿顶 的啮合处与其齿廓相切，即切点不能高于有效起始 圆直径并与齿根圆相切，所以理想的过渡曲线应为 单圆弧。 3 结束语 1）为达到较高的弯曲疲劳强度，需将齿轮心部 硬度控制在一定范围内。 2）对于表面淬火齿轮齿根透热层应大于渗碳层 并包括齿根圆角部位。 3）齿轮轮廓倒圆角时，不能产生豁口且过渡曲 线应为单圆弧。 参考文献 [1] 李麒.渗碳齿轮代表性试样心部硬度的研究[J].现代 冶金，2012，4（4）26-28. [2] 李玉婕，赵洪花.汽车渗碳齿轮的心部硬度控制[J]. 金属加工（热加工），2018（8）13-16. [3] 薛婷婷，徐燊.热处理工艺对17CrNiMo6高合金钢齿轮 轴心部硬度的影响[J].热处理，2015，30（6）53-55. [4] 刘超.汽车渗碳齿轮的心部硬度控制[J].时代汽车， 2019（1）141-142. [5] 李丹，陈伟，李昌华，等.齿根过渡圆角对齿轮弯曲 强度的影响[J].机械工程师，2014（1）190-192. 20200320 图1 齿根心部硬度对疲劳强度的影响