38CrMoAl齿轮断裂原因分析

38CrMoAl齿轮断裂原因分析

索晓溪

中国电科三十九所陕西西安710068

摘要：38CrMoAl材料是一种高级渗氮钢，有很好渗氮性能和机械强度，渗氮处理后有高的表面硬度和高的疲劳强度，无回火脆性，有良好的耐热性与耐蚀性，常被用于各种渗氮零件，如气缸套、齿轮等。但某公司近年来生产加工的减速箱经常出现38CrMoAl齿轮断齿现象，这会严重影响企业生产活动的正常进行，从而为企业带来较大的经济损失，同时，企业还需要花费大量的时间与金钱于维修工作中，大大降低了生产水平与工作效率，因此，加强对38CrMoAl齿轮断裂原因的探析对于设备的正常、高效使用来说起着非常重要的作用，所以，为查明齿轮断裂的根本原因，本文主要针对在实际应用过程中断裂齿轮的裂口痕迹、材料以及结构等方面的内容进行必要的失效分析，希望能够为我国齿轮整体质量的提升提供一定的帮助。

1、取样

1）取断裂齿条。

2）对断裂的38CrMoAl齿轮轴按照重型机械通用技术条件锻件（JB/T5000.8-2007）中的要求进行取样，按标准加工成冲击试样。

2性能试验

对断裂的齿进行化学成分检测。检测结果为：C0.39Si0.41Mn0.53Cr1.62Mo0.21Al0.94，符合标准里的化学成分要求。

考虑减速箱齿轮断裂冲击断裂，对其冲击韧性进行检测，三个试样的冲击韧性分别为：9J、11.2J、13.1J。

3断口检测与分析

对断裂的齿轮进行观察，发现齿轮的齿都是从齿根部位断裂。观察齿条断面发现断面相对平整，断面没有韧窝，无明显的塑性断裂现象，属于脆性结晶状断口。裂纹扩展痕迹的逆向指向是从齿的一边根部边缘开始的，判断出齿是在转动过程中受到冲击，发生脆性断裂。

在一般情况下，齿轮组主要包括主动轮与被动轮两大部分的内容，在实际的使用过程中，齿尖凹槽处的损坏极其普遍与常见，就本质而言，材料质量因素对于齿轮损坏来说具有不可忽视的联系，另外，齿轮的应用过程中由于局部受力过大导致结构受力不均，从而造成齿轮结构的疲劳断裂也是导致齿轮断裂的重要原因。除此之外，渗氮层厚度不足也会在很大程度上使得齿轮表面的磨损度大大提升，导致齿轮表面摩擦增大，从而对设备的高效运行造成很大的压力。因此，这要求相关的工作人员应该对断裂部位的材料、裂痕以及结构等方面的属性进行必要的分析，从本质上探究齿轮断裂的主要原因，从而能够针对性地采取必要措施，实现齿轮质量的提升。

经过扫描电镜对齿轮断面金相的检测显示：

齿轮样品的化学成分经过能谱分析显示为38CrMoAl材料，齿轮样品内部高倍放大组织中具有较多的金属硫化物、氧化物夹杂微观斑点。

齿轮样品齿面部位具有正常的氮化层组织。

齿轮样品内部不是38CrMoAl钢材正常的调质热处理组织，金相组织中存在块状和圆弧状残留F组织，个别部位局部甚至连成在一起形成“岛链状”晶粒。晶粒直径约为17～41.4微米之间。

由于在设备的应用过程中，齿轮处于高速运转的状态中，因此，当齿轮产生裂痕时，相关的工作人员往往无法在第一时间发现问题，这会在很大程度上导致裂痕的持续增大，直至整个齿轮完全断裂，因此，在齿轮裂口痕迹周围往往还存在不同程度的损伤，这要求相关的技术人员在扫描电镜观察中，还需要对裂痕周围的损伤进行必要的观察，从而为齿轮断裂原因的全面分析提供足够的依据。

4断裂原因分析与讨论

4.1齿轮轴的加工工艺过程

齿轮轴的生产加工过程为：锻→正火→粗加工→探伤→调质→半精加工→人工时效处理→精加工→精磨→氮化→精磨→装配

4.2.38CrMoAl齿轮断裂情况及产生原因

若齿轮裂痕的端口存在较为明显的摩擦痕迹，这说明齿轮是从根部脚线处先产生裂痕，然后导致整个齿轮的断裂。若是被动齿轮的表面产生一条穿透裂痕，而齿轮结构并未产生较大的损坏，并且将齿轮完全断裂后，裂口处并未被磨平，这表示是由齿轮组的主动轮先产生损坏，然后才造成被动齿轮的损坏，因此，这要求相关的生产企业需要针对性地加强主动齿轮的质量。

在本文分析的齿轮中，其根据电镜观察结果显示，裂口并不存在一定的材料缺陷，且金属材料中的杂物含量也符合标准，这在一定程度上表示齿轮的材质合格，因此，相关的技术人员需要通过其他的测试探究齿轮断裂的原因。技术人员需要对齿轮进行必要的试车测试，若齿轮在试车之前不产生损坏，而在试车之间，裂痕呈现扩大的趋势，这表示裂痕主要是在使用过程中造成的。且通过对裂口的分析，可以判断裂痕的产生是否是由疲劳断裂造成的。

在一般情况下，齿轮在使用过程中，齿根受到的压力最大，当该部位的受力值大于材料能够承受的强度时，就会造成齿轮的损坏，然而就根本而言，这并不是造成齿轮断裂的本质原因。而利用显微硬度的测试方法可以全面了解齿轮内部强度的具体分布情况，若果以硬度在30-50HV范围内作为渗氮层的衡量标准，则厚度为0.1毫米的氮化层往往无法满足设计标准的基本要求。渗氮层硬度不足，会使得齿轮受到较大的磨损，从而更容易产生损坏。另外，由于齿轮表面一般为弧面，因此，维氏硬度测验往往不适用于齿轮渗氮层硬度的测量，但是，技术人员可以洛氏测验了解渗氮层的硬度情况。由于氮化层的硬度一般较高，而厚度偏小，因此，齿轮剖面不能够准确表现氮化层硬度，技术人员可以通过对过渡区域的硬度测量，从而推断渗氮层的硬度情况。

在一般情况下，齿轮的材质与具体结构往往不是造成齿轮断裂的主要原因，根据调查显示，其都能够较好地满足齿轮质量的标准，而氮化层的硬度控制与凹槽的受力平衡会在很大程度上造成齿轮的断裂，若主动轮先损坏，则说明齿轮存在疲劳断裂。而氮化层的厚度控制可以在一定程度上避免齿轮的过度磨损，从而保障齿轮的使用寿命。另外，齿轮凹槽的受力平衡能够提升其承载能力，避免齿轮由于局部受力过大而产生恶性形变。

综上所述，38CrMoAl齿轮断裂原因的探究对于其质量的提升来说起着非常重要的作用，目前，该方面的内容已经引起了社会各界的高度重视，大量的技术人员开始投身到有关课题项目的研究中，根据研究结果表示，导致齿轮断裂的原因主要有两点，一是局部受力过于集中导致的齿轮疲劳断裂；二是齿轮氮化层厚度不足造成的齿轮强度降低。因此，这要求相关的技术人员需要针对以上两方面的原因针对性地采取改进策略，实现良好的齿轮受力平衡与渗氮层硬度控制，从而为齿轮质量的提升提供可靠的保障，进一步确保企业生产活动的正常、稳定进行，为企业创造更大的经济效益。