中间轴齿轮断裂原因分析

中间轴齿轮断齿原因分析

摘要：通过宏观、微观、金相、渗层厚度和硬度分布等分析方法对中间轴齿轮在进行耐久性试验中发生断齿的原因进行了分析。结果表明，齿跟表面非淬硬层组织过深和表层硬度过低引起的承载能力下降是最终导致齿轮发生弯曲疲劳过载断裂的原因。

关键词：中间轴齿轮；弯曲疲劳；淬硬层组织；硬度分布；承载能力

Fracture analysis of connection shaft gear

Abstract: The fractured gear tooth on the connection shaft gear which ruptured during the endurance test was analysed by macroscopic, microcosmic, metallographical, layer depth and hardness-depth curve test. The results show that the fracture caused by the falling of bearing capacity of the gear tooth is overload bending fatigue fracture . Irrational distribution of hardening zone and shortage of skin-hardness caused the falling of bearing capacity.

Keywords: connection shaft gear；bending fatigue；hardening zone structure；hardness distribution；bearing capacity

1. 情况简介

某中间轴齿轮在进行耐久性试验过程中发生了断齿的现象，其材料牌

号为SCM420H(20CrMoH)，中间轴齿轮表面经过气体碳氮共渗硬化

和淬火处理。

2. 理化检验和分析

2.1 宏观分析

中间轴的形状如图1，左端为中间轴齿轮断齿部位。

中间轴齿轮断裂部分的宏观形貌如图2，箭头所指为中间轴轮齿

断裂的方向。断面可以看到弧线形的疲劳断裂区，从疲劳区的宏观形

态可以看出裂纹是从一侧齿根线形成的，疲劳扩展区断面平坦，略向

内凹，说明裂纹扩展是受齿根弯曲应力控制的。各断齿的疲劳扩展区尺寸相近，最大深度处接近齿的宽度，断齿的两侧都有疲劳扩展区，较窄一侧的疲劳扩展区宽度仅有1mm左右。瞬断区断口参差不齐。检查看出几乎所有轮齿的齿根位置都出现了裂纹，且裂纹扩展的长度基本相同，属于多处同时起裂的损坏形式，表明相对中间轴齿的齿根强度而言该中间轴是在受到较大的载荷的条件下发生齿根断裂失效的。

图1 中间轴的形状

Fig.1The connection shaft

图2 中间轴齿轮的断裂形貌1×图3 断裂齿根部的低倍形貌Fig.2 The fracture gear Fig.3 Fracture macrostructure at the dedendum

图4 裂纹源区的断口形貌图5 裂纹扩展区的断口形貌Fig.4 Fractography of crack source zone Fig.5 Fractography of crack extension zone

2.2 微观分析

对断口经超声波清洗后在SEM下进行观察结果如图3，裂纹起始于齿根表面，起裂边断口微观上参差起伏，具有大应力起裂的特征。高倍下可以看出起裂表层对应的碳氮共渗硬化层为沿晶断口，如图4，最表面的断口有擦伤痕迹，晶粒尺寸在10 m左右，晶粒组织不粗大。疲劳裂纹扩展区的断口形态如图5，为穿晶走向，并伴有撕裂棱，说明裂纹疲劳扩展的速度较快。微观断口分析表明，裂纹起裂于表面，起裂区为沿晶断口，表明表层组织存在晶界脆化倾向。

2.3 金相分析

中间轴轮齿各区域的组织形貌参见图6，材料心部组织为板条马氏体，晶粒度9.5~8.5级；齿腰渗层边部组织为细针状含氮马氏体和残余奥氏体，晶粒尺寸与心部组织相当；齿根渗层边部基体组织以细针状马氏体和残余奥氏体为主，组织中出现少量屈氏体黑色组织，并主要沿晶界分布，黑色组织分布总深度约0.25mm。金相分析表明，中间轴齿根表面层没有得到良好的淬硬层组织。

a心部组织b齿腰表层组织

c齿根表层组织

图6 中间轴齿轮各部位的组织

Fig.6 Structure in different area

图7 齿根和1/2齿的硬度深度分布

Fig.7 Hardness-depth curve of dedendum and 1/2 gear tooth 2.4 渗层深度和硬度分布

沿齿横截面截取试样，用显微维氏硬度试验方法测试齿腰和齿根的硬度深度分布，结果如图7。渗硬层深度约为0.55mm，齿根和齿腰最高硬度位置均在0.20mm左右的深度位置，硬度值为750~820HV 左右。齿根表层硬度仅与齿心部的硬度相当，约440 HV左右，说明没有有效淬硬。

3. 结论：

该中间轴齿轮是因承载能力不足而在耐久性试验中发生弯曲疲劳过载断裂的，齿根表面淬火层非淬硬组织过深和硬度分布状态不良，表层硬度过低，是造成中间轴齿轮承载能力下降的原因。

参考文献：

[1]

[2]