推压二轴断齿失效分析

摘 要：wk-27M3电铲使用半年多后，因声音异常，拆箱检查发现推压二轴齿轮掉齿，导致产品失效。断口观察发现断齿起源于齿根圆角处，呈典型一次性过载折断，齿面呈明显波纹状变形。材质分析表明化学成分符合要求，基体组织正常，但渗碳淬火问题严重，降低材料综合性能，最终导致轮齿在过应力下过载折断。

关键词：掉齿；过载折断；波纹状变形；渗碳淬火

1.引言

某重工企业生产的WK-27M3电铲，2012年4月服役于包钢巴润矿，于2012年12月10日因声音异常，拆箱检查发现推压二轴齿轮掉齿，导致产品失效。推压二轴材质为20CrNi2Mo。主要生产工序为粗车UT调质半精车磨轴颈滚齿倒角渗碳淬火、回火精车磨轴颈磨齿滚花键钳工入库。

2.试验分析

2.1 宏观试验分析

推压二轴轮齿数为16，一齿整齿断裂，其余15齿均未开裂。断裂起源于齿根圆角处，穿过渗碳层，扩展横过韧的心部截面，在另一侧齿根圆角处附近显露出来，呈撕裂状一次性脆性断裂，属典型过载断口。齿顶和齿根附近齿面出现典型的波纹状变形，变形方向垂直轮齿的滑动方向，波纹状变形区域长度接近全齿长，宽度约7mm。锻件横截面酸浸结果为：一般疏松2.0级，中心疏松1.5级，区域偏析2.0级，有明显枝晶偏析，属合格，

2.2 化学成分分析

2.3 微观试验分析

2.3.1推压二轴锻件按GB/T 10561-2005评定，纯净度合格。组织为铁素体+贝氏体+珠光体，属正常。

2.3.2断齿金相检验

断齿 检测结果

1.节圆组织 5级 针状马氏体，40%残留奥氏体

2.齿根组织 回火索氏体

3.碳化物

4.心部组织 4级 低碳马氏体+较多量游离铁素体

5.节圆有效硬化层 1.698mm

6.齿根有效硬化层 无有效硬化层

7.表面脱碳层 0.35mm

8.表面碳含量

9.表面硬度 节圆 HRC：54.30 齿根 HRC：42.17

试验结果表明渗碳淬火质量严重欠佳，

3.讨论与分析

3.1 推压二轴化学成分符合20CrNi2Mo材质要求。锻件纯净度、致密度合格。组织状态正常。轮齿部位马氏体及残留奥氏体组织超级，渗碳层脱碳或贫碳，直接导致有效硬化层没有或不足、表面硬度不足，这些特征均说明渗碳及淬火质量问题严重，将直接降低轮齿的抗弯强度及表面接触强度。

3.3 推压二轴断齿起源于齿根过渡圆角处，呈典型一次性过载折断。齿面典型的波纹状塑性变形，显示齿轮金属过软，因为轮齿的塑性变形总是齿轮接触区域承载的应力超过金属屈服极限的结果。

综合分析认为，推压二轴齿轮一次性过载折断失效的主要原因是齿轮材料渗碳淬火方面有问题和过应力两者共同作用产生的。

4.结论

4.1 推压二轴化学成分合格，锻件合格，基体组织正常，轮齿渗碳淬火问题严重。

4.2 推压二轴断齿起源于齿根圆角处，呈典型一次性过载折断。断齿原因为齿轮材料渗碳淬火问题严重和过应力两者共同作用产生的。（作者单位：太原重工理化检定中心）

参考文献

[1] 大型铸锻件行业协会，大型铸锻件缺陷分析图谱编委会.大型铸锻件缺陷分析图谱[M].机械工业出版社.

[2] 张 栋，钟培道，陆春虎，雷祖圣.失效分析[M].国防工业出版社

[3] 李炯辉，林德成.金属材料金相谱[M].机械工业出版社.