為了對(duì)減速機(jī)齒輪的開(kāi)裂原因進(jìn)行研究并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，利用體式顯微鏡、掃描電鏡、直讀光譜儀和金相顯微鏡研究了齒輪的裂紋形貌、化學(xué)成分和微觀組織。結(jié)果表明: 齒輪的化學(xué)成分和硬度符合技術(shù)要求。齒輪的有效硬化層深度超過(guò)了技術(shù)要求，這會(huì)導(dǎo)致芯部受到較大的拉應(yīng)力，是導(dǎo)致開(kāi)裂的第 1 個(gè)原因。裂紋源位于斷口芯部，并且有較多的 O、Al、Ca、Na 等元素組成的非金屬夾雜物，這些夾雜物硬度較高，容易割裂材料的基體，受到外力時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋源，是導(dǎo)致開(kāi)裂的第 2 個(gè)原因。針對(duì)上述開(kāi)裂原因制定相關(guān)的改進(jìn)措施，首先是不允許拼爐混裝，其次是減少材料中的夾雜物。通過(guò)上述工藝改進(jìn)，徹底解決了齒輪的早期開(kāi)裂問(wèn)題。

減速器是一種由封閉在剛性殼體內(nèi)的齒輪( 或蝸桿、齒輪-蝸桿) 傳動(dòng)所組成的獨(dú)立部件，一般在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，在冶金、有色、煤炭、建材、工程機(jī)械及石化等行業(yè)有極為廣泛的應(yīng)用[1]。某減速機(jī)在裝配后試運(yùn)行時(shí)發(fā)生異響，打開(kāi)減速機(jī)殼體發(fā)現(xiàn)其錐齒輪小端部位出現(xiàn)了掉塊，其二維平面見(jiàn)圖 1 所示，減速器齒輪長(zhǎng) 302 mm，模數(shù) 11，大端模數(shù) 10.68，速比 3.545，在裝配后試車(chē) 15 min 后發(fā)現(xiàn)齒輪出現(xiàn)碎裂，其服役環(huán)境是在有潤(rùn)滑油的封閉箱體內(nèi)，最高轉(zhuǎn)速為 1850 r /min，輸出扭矩 12 000 N·m，這種齒輪的早期失效會(huì)導(dǎo)致減速機(jī)不能正常服役，從而延長(zhǎng)了交貨期限。生產(chǎn)單位決定對(duì)本批次總共 27臺(tái)減速機(jī)齒輪的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)開(kāi)裂的齒輪進(jìn)行了失效分析以便于采取相應(yīng)的針對(duì)性措施。

齒輪機(jī)加工流程為: 下料→鍛造→調(diào)質(zhì)→粗車(chē)( 各個(gè)表面至 3.2 μm) →半精車(chē)( 各個(gè)表面)→滾齒→倒角→滲碳→車(chē)螺紋部位滲碳層→淬火+低溫回火→磨齒( 內(nèi)孔、端面) →清洗→強(qiáng)化噴丸→清洗→成品檢查入庫(kù)。其鍛造溫度為 1 200 ℃，調(diào)質(zhì)工藝為 880 ℃ ×2 h油冷淬火+ 530 ℃ × 2.5 h 高溫回火，半精車(chē)?43mm、?57mm、?65mm、?70mm、?174mm、?34.5 mm，滲碳淬火工藝為 920 ℃ ×6 h 滲碳+830 ℃ ×2 h 油冷淬火+200 ℃×3 h 低溫回火，磨齒成形精度至 0.8 μm，噴丸覆蓋率 120%。其斷口見(jiàn)圖 2a 所示，在齒輪小端( 見(jiàn)橢圓區(qū)) 出現(xiàn)了開(kāi)裂，小端的尖角部位從體上出現(xiàn)了剝落，斷口近似呈三角形，長(zhǎng)度 24 mm，寬度 8 mm，見(jiàn)圖 2b所示，斷口的外周邊是滲碳淬火層。將斷口進(jìn)行超聲波+丙酮清洗并在VHX -6000 數(shù)碼顯微鏡下觀察，見(jiàn)圖 2c所示，可看出斷口芯部有白色亮點(diǎn)( 見(jiàn)橢圓區(qū)) ，從白色亮點(diǎn)位置向四周擴(kuò)散的紋路，說(shuō)明此處就是所尋找的裂紋源，要對(duì)此處進(jìn)行重點(diǎn)分析。圖 2d 是裂紋擴(kuò)展區(qū)的裂紋形貌，從圖中可看出是解理斷裂，部分晶粒表面受到了磨損; 圖 2e 是圖 2b 方框位置的斷裂形貌，此處是斷口的滲碳層位置，可看出該處的斷口是沿晶+撕裂棱，說(shuō)明該處的硬度較高; 但是圖 2d和圖 2e 的形貌無(wú)異常，可知其成分也無(wú)異常。

齒輪的材料是20CrMnMo 合金鋼[2],在靠近 M36螺紋處和芯部分別取厚度為12 mm 試樣,依據(jù) GB /T4336－2002《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法》,用 CX -9600 直讀光譜儀檢測(cè)化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1; 和 GB /T 3077－1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定的元素相比，滲碳層區(qū)的含碳量較高，其余元素符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

減速機(jī)齒輪的表面要求滲碳，其有效硬化層深為1.8～2.1 mm，表面硬度要求 59～64HＲC，芯部硬度要求34～40 HＲC。在圖 2b 中方框位置取垂直于齒部樣塊，然后打磨、拋光，再用 3%硝酸酒精腐蝕，在VHX -6000數(shù)碼顯微鏡下觀察其表面和芯部的顯微組織見(jiàn)圖 3a和圖 3b。據(jù) GB /T13298－1991《金屬金相組織檢驗(yàn)方法》和 GB /T25744－2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》，表面顯微組織為M針+A殘可評(píng)為2級(jí)，芯部為M低碳+F游可評(píng)為3級(jí)，均符合技術(shù)要求。據(jù)GB /T9450－2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》,用 DHV -1000 顯微維氏硬度計(jì)對(duì)齒部測(cè)量，表面硬度為 62 HＲC ( 維氏換算洛氏，下同)，芯部硬度為38HＲC，符合技術(shù)要求，有效硬化層深為 2.5 mm，超過(guò)技術(shù)要求。