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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