二级齿轮轴齿面裂纹原因分析报告

二级齿轮轴齿面开裂原因分析报告

一、 情况简述：二级齿轮轴经试机运行后开箱检查发现齿面上存在裂纹缺陷，如1图所示：裂纹出现在分度圆与齿根之间沿着轴向伸长，其外观已呈开放型并以相同的形式分布在多个轮齿的同一侧齿面上。

该零件采用20CrMnTiH材料制造、模数m n=12，滚齿后经渗碳淬火热处理要求为：⑴ 磨齿

前硬化层深度 2.5~2.8mm（界限值550HV1），齿面经磨削加工后成品有效硬化层深度2.0~2.2mm（界限值550HV1）;⑵ 齿表面硬度58~62HRC，心部硬度33~48HRC;⑶ 金相按JB/T6141.3《重载

齿轮渗碳金相检

验》，表层组织：马

氏体、残留奥氏体

1~4级合格，碳化

物1~3级合格；心

部组织1~4级合

格。为分析齿面裂

纹形成原因，在图

1所示多个白色印

记处割取试样检

查，结果报告如下：

二、金相分析及显

微硬度检查：从多

处切割试样观察裂

纹断面均呈现如图

2所示弧线形态，

图示裂纹环绕经过

齿面表层 1.60mm

深度范围，裂隙内

部及附近无夹杂

物、无疏松等材料

缺陷，浸蚀检查：⑴ 表层组织：多段查看裂纹及附近最表面层显现出断面为月牙状白色区域，如图3所示为其中较小的一处可窥见其全貌，是典型的磨削产生二次淬火组织，图4显示一条裂纹穿过二次淬火层的情形，图5为二次淬火层较深的部位：白色区域深度达到0.27mm，紧邻的次表层为深色过度回火组织(测得该处最低显微硬度值仅451HV1），此处测得复合型总变质层

深度接近1.6mm；检查渗碳淬火表层金相组织，马氏体及残留奥氏体2级，如图6所示为齿顶部位同时存在断续点状和细条状碳化物，呈不均匀的网状分布综合评定为4级；经磨削后的齿面表面碳化物级别为3级。⑵ 心部组织：如图7所示心部铁素体评为5级。

三、宏观硬度及硬化层深度检查：⑴ 表面硬度:从齿顶测量59.5,60.5,60HRC;⑵ 硬度梯度及硬化层深度：在齿分度圆处测量数据见表1，绘制硬度梯度曲线如图7，由此测得该齿轮轴成品齿面分度圆处有效硬化层深度：1.93mm （界限值550HV 1）；由图可见因磨削烧伤从0.7mm 深度起，向

外硬度呈下降状态最表层硬度值低于400HV 1;⑶心部硬度：26.5，28，27HRC。 四、分析与结论：（1）以上检查显示齿轮轴齿面开裂处无原材料缺陷，齿面裂纹的产生明显由磨削引起。因磨削工艺控制不当使磨齿加工表面温度急剧上升，形成较深的二次淬火层和过度回火组织，随着组织改变材料的硬度、强度下降并带来表面比容变化产生较大应力，以及瞬间激烈热胀冷缩应力和切削加工力结合，超过此处材料仅有的强度极限，形成了与热处理淬火开裂状态相似的表面裂纹。（2）从检查中发现该零件自身存在热处理质量缺陷：a、表面碳化物呈网状分布，会加大材料开裂倾向；b、心部硬度偏低与心部组织不符合要求，降低轮齿抗弯曲疲劳能力。

五、改进措施与建议：（1）磨削烧伤区分布在分度圆下近齿根1/3带上，客观上表明该处磨削加工余量最大，使之成为磨削缺陷易产生部位，应考虑适当减少此处热后磨削量；（2）查找磨削工序上的原因，从机器、磨具、操作、冷却效果等方面降低磨削发热现象、抑制磨削热的过多产生；（3）加强对热处理零件内在质量的监察，同时加强对产品外观缺陷的检查，防止不合格品甚至废品混入最后工序。

ＸＸＸＸ有限公司 生产中心 工艺组

钢 件 部 质量组

2009-10-10

表1 齿面裂纹处硬度梯度测量数据

至表面距离mm 0.05 0.1 0.2 0.3 0.40.50.60.8 1.0 1.2 1.6 1.9 2.0 2.2 心部硬化层深度硬度值 HV 1

347

458 507 546 583

602

652

699

699

675

647

559 531 505 287

1.93mm