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船用柴油机曲轴齿轮断裂失效原因分析
2016-02-22 08:00:00 作者:本网整理 来源:热处理生态圈

    我公司生产的某型船用柴油机曲轴齿轮图样要求材料牌号为12CrNi3A  GB/T3077-1999,渗碳层深度0.9~1.3mm(工艺渗层深度1.1~1.5mm),渗碳层硬度58~61HRC。

 
    该零件的加工工艺过程为:原材料进厂检验→下料→锻造齿坯→齿坯加工→滚齿→齿形几何精度检验→渗碳→去碳层→淬火及回火→齿形精加工+磨齿形→清理轮齿、防锈和包装。仅保留齿面的碳层,因此该齿轮齿面硬度高,心部综合力学性能好。该齿轮使用约100h,产生齿轮断齿事故,断齿断口及未断裂齿宏观形貌见图1所示,对断齿齿轮进行探伤后发现有些(未断裂)齿的齿面存在裂纹见图2所示。针对齿轮轮齿的断裂,我们进行了以下分析。

  图1 断齿断口及未断裂齿宏观形貌


图2 未断轮齿齿面着色探伤,可见渗透显示的位置与分布
 
1.材料分析原材料为12CrNi3A,具体化学成分见附表。
 
 


2.试验过程与结果

         断口形貌分析:该齿轮3个相连的齿都从齿面节圆附近开裂,向另一齿面的齿根和齿宽方向扩展,最终断裂,裂纹形貌见图3、图4。
 

 
可见,硬化层深:有裂纹齿面一侧0.73mm,一侧0.75mm;无裂纹齿面一侧0.78mm,一侧0.81mm。硬度检测:有裂纹齿面硬度为 56.3HRC、56.7HRC;无裂纹齿顶硬度为56.5HRC、56.2HRC。硬度及层深均不满足图样要求。
        注:A1为有裂纹齿面两侧硬度曲线;A2为无裂纹齿面两侧硬度曲线

3.结语

       由图可以看出断面有油污,清理后呈灰色,齿断于节圆附近,断口上可见到明显的疲劳沟线和疲劳弧线,齿轮的啮合过程,节圆部位主要承受周期性压应力和滚动(或滑动)引起的切应力作用,是应力比较集中的部位,该部位容易产生疲劳裂纹源。此外,由于渗碳层深度不足,导致零件表面硬度偏低,在高循环应力作用下,疲劳裂纹形成后沿齿宽方向(渗碳层)快速扩展,最终在齿上形成浅而长的疲劳裂纹,导致齿轮断裂失效。
 
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