工程機械減速機齒輪失效原因分析
某工程機械減速機齒輪發生了失效。為了探究齒輪失效的原因，對失效齒輪進行了解剖。 并采用直讀光譜儀、擺錘式沖擊試驗機、拉伸試驗機、洛氏硬度計、顯微硬度計及金相顯微鏡等設備，進行了成分、組織及力學性能檢測，并對熱處理工藝進行了分析。
結果表明：失效齒輪的化學成分滿足 20CrMnTi 材料的要求；失效齒輪心部預備熱處理不合適，強度達不到標準要求；滲碳熱處理使齒面部位達到了硬度及滲碳深度的要求，但滲碳不均勻，齒輪側面硬度達不到要求。齒輪側面硬度低和耐磨性差是失效的主要原因。
減速機在使用過程中，過早地出現了振動、噪聲等，影響了正常的使用。為了解決這一問題，技術人員對該減速機進行了拆解，發現二級行星齒輪存在齒面磨損及塑性變形的問題。在此情況下，只能更換二級行星輪。為了從根源上解決齒輪失效的問題， 對該失效齒輪進行了一系列的檢驗與分析，包括成分分析、金相檢驗、力學性能分析等。
1 試驗方法與設備
本文以失效齒輪為研究對象，從齒輪材料與性能進行分析，找到齒輪失效的根本原因。檢測試樣的取樣位置應滿足試驗要求，且具有代表性，各試樣的取樣位置如圖 1 所示。
采用直讀光譜儀對齒輪材料成分進行分析，并與 GB/T3077-1999《合金結構鋼》中20CrMnTi 材料成分進行對比；采用擺錘式沖擊試驗機檢測材料的沖擊韌性，試樣為 10 mm×10 mm×55 mm 的標準 U型缺口試樣；采用 100 kN 電子拉伸試驗機檢測材料的強度；采用洛氏硬度計與顯微硬度計檢測材料的硬度及有效硬化層深度；采用倒置式金相顯微鏡檢測材料的組織。
2 試驗結果與分析
2.1 失效齒輪化學成分分析
經檢測，失效齒輪的化學成分如表 1 所示，與GB/T3077-1999《合金結構鋼》中20CrMnTi 材料成分進行比對，發現失效齒輪的化學成分達到了要求。
表1 20CrMnTi 齒輪的化學成分(質量分數，%)
2.2 失效齒輪的力學性能分析
采用 100 kN 電子拉伸試驗機對試樣進行拉伸試驗，結果見表 2。采用擺錘式沖擊試驗機對試樣進行沖擊韌性試驗（表 2），試樣 1#～3# 為平行試樣。
表2 失效齒輪力學性能
從表 2 可看出，失效齒輪的抗拉強度為 857.35～938.00MPa，低于標準規定的最低值1080 MPa；沖擊吸收功為 60.43～68.25J，高于標準規定的最低值 55J，滿足標準要求。
2.3 失效齒輪硬度分析
失效齒輪的 表面硬度采用洛氏硬度計進行檢測，檢測位置為齒面及側面，結果見表 3。
表3 失效齒輪的表面硬度(HRC)
從表 3 可以看出，失效齒輪的側面硬度較低，低于 58～62 HRC 的硬度要求， 較低的表面硬度是導致齒輪表面磨損的主要原因。
采用顯微硬度計檢測失效齒輪表面滲碳情況，從齒面至心部的硬度變化曲線如圖 2 所示。從圖中可知，失效齒輪的有效硬化層深度 CHD 為 1.41mm，達到了滲碳深度要求[2-3]。圖中，從表面至心部，硬度首先增加，然后平穩降低至 450HV1 左右。
2.4 失效齒輪組織分析
失效齒輪從齒尖至齒心的顯微組織見圖 3。
圖3 失效齒輪各部位的顯微組織
該齒輪經過了滲碳處理，根據含碳量的多少，一般將滲碳層分為過共析層、共析層及亞共析層，過共析層碳含量可達 0.8%～1.0%。從圖 3 可知，過共析層主要由灰色針狀馬氏體及少量白色塊狀殘余奧氏體組成；共析層主要由細小短針狀馬氏體及少量殘余奧氏體組成；亞共析層主要由較粗大的透鏡狀馬氏體及少量屈氏體組成；齒心由馬氏體及晶界未溶顆粒狀鐵素體組成。齒心金相組織取樣于齒輪中心線與齒根圓相交處[4-7]。結合齒輪的CHD 曲線，齒尖到齒心的金相組織能夠滿足硬度要求。齒輪心部位置的顯微組織如圖4 所示。
從圖 4 可知，心部組織主要由大塊狀鐵素體及索氏體組成，并且組織有一定的偏析，該金相組織的取樣位置為齒輪心部位置處，與拉伸試樣取樣位置一致。
2.5 綜合分析
一般來說，齒輪加工的工藝路線為[8-11]：鍛造→預備熱處理（正火、退火或調質等）→粗加工（齒形加工）→滲碳→淬火→低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→精加工（磨齒）。齒輪毛坯需鍛造，鍛造能夠降低晶粒尺寸，改善毛坯組織性能；預備熱處理主要目的是降低硬度，提高塑性，便于切削加工，細化晶粒，均勻化成分與組織，為后續熱處理做準備。
對于 20CrMnTi 材料，滲碳熱處理工藝規范一般是先進行 920～950℃正火熱處理，然后在 920～940℃下滲碳處理， 最后 830～870℃油淬及 180～200℃低溫回火。
失效齒輪心部的強度較低，達不到標準要求，結合該位置的金相組織，發現組織中存在塊狀鐵素體及偏析，導致了材料強度降低。偏析的存在與預備熱處理不合適有關，可以增加預備熱處理的時間或提高溫度。
失效齒輪側面硬度低，耐磨性較差，這是導致失效的主要原因，結合本文中的分析，表面硬度低，主要是由于在滲碳過程中，滲碳方法不當，滲碳不均勻所致。
3 結論
（1）失效齒輪的化學成分滿足 GB/T3077-1999《合金結構鋼》中 20CrMnTi 材料的要求。
（2）失效齒輪心部由于預備熱處理不合適，強度達不到性能要求。
（3）滲碳熱處理使齒面部位達到了硬度及滲碳深度的要求，但滲碳不均勻，齒輪側面硬度達不到要求。齒輪側面硬度低，耐磨性較差，這是失效的主要原因。
